1. Stadiometryczne. Linia poz jest okręgiem o promieniu r(odl do stacji) i śr w pozycji ϕ,λ. danej stacji systemu. Jest jednoznaczna, ale pozycja z 2 lini poz jest dwuznaczna.(stosuje się 3 i więcej). Każda ze stacji ma swój kod(pytający i odp-5impulsów). Systemy nasycone. Problem identyfikacji odbiorcy dokonuje się przez modulację sygnału. Wymaga się by fala docierająca do P była przyziemna. Zasięg kilka10Mm. Pomiar czasu: Stacja nadawcza wysyła sygnał w chwili tn, a odbiornik odbiera go w chwili to. Gdy V propagacji=const, chwila tn znana otrzymujemy: d=c(to-tn). Wymaga to stałej synchronizacji odbiornika i nadajnika. Jednak w praktyce mierzy się pseudoodległość. Systemy odzewowe(przybrzeżne): W każdym z dwóch punktów, umieszcza się odbiornik i nadajnik(razem). Pomiar odległości oparty jest na elektronicznym pomiarze interwału czasu dzielącego dwa impulsy. Pierwszy z nich jest impulsem z urządzenia na statku, a drugi odebranym z przez P urządzenia zapytującego impulsem wysłanym przez stację odzewową(ϕ,λ). Zmierzony interwał czasu na podstawie V propagacji fal i po uwzględnieniu opóźnienia spow odowanego działaniem obwodów elektronicznych, zostaje przetworzony na odległość. d=c(to-tn)/2. Pomiar fazy: Aby określić d dzielącą 2 punkty należy zainstalować w jednym z nich stacje nadawczą a w drugim odbiorczą i zmierzyć fazę docierającego sygnału. Emitowany przez stację nadawcza sygnał o fi dociera do znajdującego się w odl di odbiornika z opóźnieniem fazowym φi=2πfi(t-di/c --> [Author:PP] )+ξi, gdzie t-czas, ξi-faza początkowa sygnału w chwili to. W chwili t=0 opóźnienie fazowe φi=2π(di/λi) gdzie λi-dł. fali odpowiadająca częstotliwości fi. Odległość di można przedstawić w postaci di=ki⋅λi+Δli. Wówczas φi=ki⋅2π+ϕi. ϕi=(2π/λi)/(di-ki⋅λi). Fazę docierającego sygnału i φi można jednoznacznie określić tylko w obrębie jednego kąta pełnego od 0-2π, dlatego powstaje wieloznaczność pomiaru. Opóźnieniu fazowemu od 0-2π odpowiada odległość zwana szerokością pasa stadiometrycznego ds. Linia pozycyjna jednoznaczna w obrębie jednego zidentyfikowanego pasa. Konieczność podania ϕ,λ przybliżonych Mw<0,5ds. Im pas >tym > dokł określenia pozycji. W praktyce pasy są wąskie i trzeba identyfikować. Im f> tym > dokładność. |
2. Hiperb(pomiar różnicy czasu): Określanie różnicy odległości polega na emitowaniu przez stacje nadawcze N1 i N2 zsynchronizowanych w czasie sygnałów na tej samej f i na odpo wiednim porównaniu odbioru tych sygnałów w punkcie P. Zmierzona różnica czasu(linia pozycyjna) jest dwu znaczna, bo tej samej wartości Δt odpowiada hiperbola symetryczna względem sym etralnej lini bazy. Na symetralnej Δt=Δd=0. Emisje dwóch stacji zostały przesunięte w czasie. Jako pierwsza nadaje Master. Pozwala to na jednoznaczność lini pozycyjnej. Wartości opisujące poszczególne linie pozycyjne odpowiadają zmierzonej w odbiorniku różnicy czasu Δt i podane są w μs.(np. L-A,L-C). Systemy hiperb(różnica faz): Określanie różnicy odległości polega na emitowaniu przez stacje nadawcze N1 i N2 zsynchronizowanych w fazie sygnałów fali ciągłej i na odpowiednim porównaniu faz tych sygnałów w punkcie odbiorczym P. Gdy obie stacje emitują sygnały na tej samej f a punkt P leży w odległości d1 od stacji N1 i d2 od stacji N2 to sygnały docierają z opóźnieniem fazowym φ1=2πf(t-d1/c)+ξ1, φ2=2πf(t-d2/c)+ξ2 gdzie ξ1, ξ2-początkowe fazy sygnałów. Różnica opóźnień fazowych Δφ=(2πf /c)(d2-d1)+ξ, Δφ-jest funkcją różnicy odległości Δd, f, i ξ. Skoro ϕ=(2π/λi)(di-ki⋅λi) to Δϕ=(2π/λh)(d2-d1)+k2π gdzie λh-dł. fali na częst. fh, k-wielokrotnośc 2π. W zależności od działania systemu f1=f2 lub f1≠f2 czyli fh=f1=f2 lub fh≠f1≠f2. np: Decca, Omega. Pomiarowi różnicy opóźnień fazowych w zakresie od 0-2π na częst. fh odpowiada odległość zwana umownie szerokością pasa hiperbolicznego dh=(λh)/(2sin(γ/2)). Ze względu na okresowość różnicy faz zachodzi potrzeba identyfikacji pasa. |
3.Decca navigator: Pracował w systemie hiperbolicznym(pomiar różnicy faz) Fale dł.:70-130kHz. Podstawą funkcjonowania były łańcuchy liczące od 3 do 4 stacji.(red 8f, green 9f, purple 5f), Master(6f), gdzie f podstawowe to 14-14,33 kHz Różnica faz obliczona była pomiędzy sygnałem ze stacji Master, a Slave. Wady- System był podatny na warunki propagacyjne fal długich. W niektórych warunkach atmosferycznych stawał się bezużyteczny. Wynikało z tego ograniczenie zasięgu. Zasięg zależał od pory doby: dzień-400-450Mm, noc-200-250. W nocy pojawiała się fala jonosferyczna o silnej amplitudzie , która interferowała z falą przyziemną, ds. żedu kilku Nm, wieloznaczność określanej lini pozycyjnej- konieczność znajomości pozycji wstępnej, nierównomi erność pokrycia rejonów świata, Częste zakłócenia w funkcjonowaniu niektórych łańcuchów.Zalety: W sprzyjającej geometrii systemu Decca określała pozycje do kilkudziesięciu metrów, Otrzymywanie pozycji w sposób ciągły, Darmowe korzystanie z systemu, System nienasycony, Powszechny dostęp do map systemu, Prostota i łatwość obsługi odbiornika, stablicowanie dla większości łańcuchów błędu określonej pozycji w funkcji pory doby, roku i odległości od stacji nadawczych. |
4. Odbiorniki I-II: Odbiorniki II gen(poczatek80r) ma możliwość podawania wsp. geogr. i/lub hiperbolicznych(stadiometrycznych), a odbiorniki I gen tylko wsp. danego systemu(hi perbolicz ne lub stadiometryczne). Odbiorniki II gen mają wbudowany mikrokomputer, który w zależności od modelu może uwzględniać automatyczne dane poprawki dla danego systemu (propagacyjne itp.). Natomiast odbiorniki I generacji wymagają ręcznego uwzględniania tych poprawek(Rys). Po za tym odbiorniki I gen wymagały od użytkownika przeprowadzenia wiel u pracochłonnych i czasochłonnych czynności(synchronizacja, wybranie łańcucha, identyfikacja nr-u pasa). Odbiorniki II gen cechuje łatwość obsługi i automatyzacja niektórych procesów .(Funkcja auto). Odbiorn iki II gen oprócz normalnych procedur systemowych mają z reguły bogate oprogramowanie nawigacyjne(planowanie trasy, alarmy odległościowe, różne obliczeni a-ETA). Odbiorniki II gen są z reguły mniejsze, lżejsze i nie wymagają grubych tomów z poprawkami. Do odbiorników II gen należą odbiorniki wielosystemowe, które mogą korzystać z innych systemów. Dobre odbiorniki umożliwiają ręczny dobór lini pozycyjnych (stacji, łańcuchów). Powinny posiadać możliwość pokrywania pozycji we wsp klasycznych. Wspólne: Aby określić pozycje należy znać przybliżoną pozycje z określoną dokładnością. |
5.Układy odniesienia: Określony system wsp oparty na konkretnej pow odniesienia-elipsoidzie obrotowej, w znany sposób zorientowany w stosunku do pow ziemi. Ktoś przed naniesieniem ϕλ na mapę musi wiedzieć czy układ odniesienia wg którego w odbiorniku została określona pozycja to ten sam układ w którym została opracowana owa mapa. Jeżeli nie to z mapy należy odczytać poprawki. Teoretyczną powierzchnią Ziemi jest powierzchnia Geoidy pokrywająca się z przedłużonym pod lądami średnim poziomem mórz i oceanów. Bryłą najbardziej zbliżoną do geoidy jest elipsoida obrotowa. Do zdefiniowania elipsoidy odniesienia, wystarczą dwa parametry(z czterech): a-duża pół oś; b- mała pół oś; biegunowe spłaszczenie α=(a-b)/a; mimośród e=√[(a2-b2)/a2]. Najczęściej podaje się a, 1/α; Podział ukł odniesienia: Globalne: początek układu jest w środku masy Ziemi. Jest to układ geocentryczny. Przyjęta elipsoida odniesienia jest maksymalnie zbli żona do geoidy globalnie. Różnica między geoidą, a elipsoidą sięga kilkudziesięciu metrów. Układy te znalazły zastosowanie w systemach sat. Najbardziej znane to WGS 72 i WGS 84(elipsoida i układ). Lokalne: Początek układu jest w środku przyjętej elipsoidy odniesienia(układy quasi-geocentryczne) Środek ciężkości Ziemi jest przesunięty o wektor(Δx, Δy, Δz) od środka elipsoidy. Na dany rejon przyjmuje się takie wymiary elipsoidy żeby pokrywała się maksymalnie z powierzchnią Ziemi. Najbardziej znane to: ED-50, NAD-83, URS-42; jest ich b. wiele(setki). |
6. Czas. Definicja sekundy jest zależna od wzorca czasu jaki jest przyjęty i zmienia się w czasie. Wzorcem czasu jest układ generujący zlokalizowane w przestrzeni zdarzenia wybrane na pods tawie kryterium max równomierności występowania tych zdarzeń, sprawdzony doświadczalnie względem innych układów wzorcowych. Istnieją 3 wzorce czasu: kwarcowe, cząsteczkowe, ato mowe(rubidowe, cezowe). Stabilność wzorca czasu(który generuje zdarzenia z częstotliwością fn) jest wielkością bezwymiarową i równa się (|f-fn|max)/fn. Stabilność ta przedstawiana jest w formie 10-n, gdzie n∈N. Im n większe tym większa stabilność. Rozróżniamy stabilność roczną i dobową. Najlepsze wzorce(cezowe) osiągają wartości 10-12 (roczna)i 10-13 (dobowa). Rubidow e(do -10 i do -11), kwarcowe(do -8 i -9). W odbiornikach GPS są wzorce kwarcowe lub rubidowe, gdyż cezowe mają zbyt dużą objętość, wagę i koszt(20-30tys$). Istnieją 3 podstawowe skale czasu: gwiazdowy, średni czas słoneczny, czas uniwersalny. UT→UT0(śr czas słoneczny południka Greenech uzyskiwany bezpośrednio z obserwacji astronomicznych)→UT1(czas UT0 skory gowany o ruchy Ziemi względem swej osi obrotu)→UT2(skorygowany UT1 o fluktuacje sezonowe V obrotowej Ziemi). Sekunda związana z ruchem obrotowym ziemi ≠ sekundzie atomowej. (s)atomowa<2,6⋅10-8 od (s) ziemskiej, co w skali roku daje 0,82s. TAI- (skala czasu oparta na wzorcach atomowych), UTC- kompromis uwzględniający atomową skalę czasu i skalę czasu związaną z obrotem Ziemi. W UTC wzorce czasu są atomowe i okresowo koryguje się czas. |UT1-UTC|<0,9s. Do UTC dodaje się lub odejmuje 1s(przestępną) 30(VI) lub (31XII). |
7.Organizacja systemu: Największy wpływ na funkcjonowanie systemu ma częstotliwość nośna oraz geometria systemu(rozmieszczenie stacji). Częstotliwość nośna decyduje o zasięgu systemu. Ponieważ właściwości propagacyjne fal radiowych uzależnione są od dł. emitowanej fali częstotliwość nośna determinuje możliwości wykorzystania systemu w różnych porach doby, roku i warunkach propagacyjnych. Wraz ze wzrostem f nośnej-potencjalny zasięg maleje, ale jednocześnie dokładność określania pozycji wzrasta. f decyduje o szerokości pasa stadiometrycznego lub hiperbolicznego. Geometria Odpowiednie ugrupowanie stacji w łańcuchy umożliwia określenie przynajmniej jednej linii pozycyjnej(L-A), a w większości wypadków ϕ,λ. Emisja każdej stacji(f nośna, f powtarzania, kodowanie) dwóch sąsiadujących ze sobą łańcuchów powinna być na tyle zróżnicowana aby po stronie odbiorczej nie zachodziła interferencja ora jednoznacznie można było zidentyfikować łańcuch. W zależności od systemu liczba stacji jest różna. Zasięg systemu: może być globalny albo lokalny. Mimo że sygnały z danej stacji można wykorzystywać w promieniu kilku tyś. Mil to można mówić o zasięgu globalnym(przechodzenie ze strefy działania jednego łańcucha w drugą). Nasycony, nienasycony:XXX; Odbiornik: I generacji(wsp. stadiometryczne lub/i hiperboliczne), II generacji(w pełni zautomatyzowane, określające ϕ,λ). Dużą rolę odgrywa antena. |
8.Loran C to system hiperboliczny oparty na pomiarze po stronie odbiorczej różnicy czasu (uzupełnionym dodatkowym pomiarem faz) pomiędzy impulsami docierającymi ze stacji nadawczych. Wszystkie stacje pracują na f=100khz. W zależności od łańcucha otrzymuje się odpowiednią liczbę linii pozycyjnych. Stacja master(1), slave(2-4). W L-C linią pozycyjną jest hiperbola, której ogniska stanowią wsp. stacji nadawczych. Jest ona dwuznaczna, ponieważ istnieją 2 hiperbole odpowiadające różnicy czasu zmierzonej po stronie odbiorczej. Aby usunąć tą dwuznaczność wprowadzono zróżnicowanie w czasie emisji obu stacji. Slave emituje impuls ze znanym i stałym co do wartości opóźnieniem czasowym w stosunku do master. Sygnał ten dociera do stacji po znanym wcześniej czasie(odl). Slave rozpoczyna emisję dopiero po opóźnieniu kodowym. Linia pozycyjna L-C jest dzięki temu zawsze jednoznaczna. Opisana jest cyfro-literowym symbolem umożliwiającym identyfikację. Błąd: średni kwadratowy błąd lini pozycyjnej mL=mΔd/2sin(γ/2), gdzie md-śr kwadratowy błąd pomiaru różnicy odległości dzielący odbiornik od stacji nadawczych, γ-kąt widzenia linii bazy. W systemach impulsowych md=c⋅mΔt, gdzie mt-średni kwadratowy błąd pomiaru różnicy czasu. Błąd ten zależny jest od znajomości przez użytkownika warunków propagacyjnych(stacja-ja). Wykreślona na mapie siatka lini pozycyjnych danego systemu(Igen) i przyjęty algorytm obliczeniowy(IIgen) zostały opracowane dla standardowych warunków przy założeniu, że sygnały docierają po ortodromie na fali przyziemnej. Gdy warunki są inne należy liczyć się z błędem. Zależy od pory doby, roku, czy trasa sygnału biegnie nad wodą, czy nie, czy sygnał dociera na fali przyziemnej, wzglednie przyziemnej i jonosferycznej czy tylko na jonosferycznej. |
9.Fazolokacyjne. W systemach hiperb(różnica fazy) konieczne jest wyróżnienie po stronie odbiorczej z której stacji nadawczej dociera sygnał. Sygnały ze stacji emitowane są jednocześnie lecz na różnych f, lun niejednocześnie na tych samych f. Dlatego dzielimy fazolokacyjne na: pracujące z rozdziałem czasowym lub wykorzystujące częstotliwość porównawczą. Rozdział czasowy. Stacje nadawcze pracują cyklicznie według ustalonego kodu czasowego, na tej samej f, będącej f na której w odbiorniku mierzy się różnicę faz. f=fh i określa szer pasa hiperb.(cykl=do kilku s). Jeśli odl między stacjami są< kilku10 Mm to 1 ze stacji jest stacją synchronizującą pracę łańcucha. Jeśli sygnały ze tej stacji nie są wykorzystywane to jest stacją przewodnią. Gdy odl > to obie stacje wyposażone są w cezowe wzorce czasu. Sygnały docierają do P w kolejności, więc odbiornik musi mieć układ zapamiętywania faz. Faza sygnału odebranego jako 1 zostaje porównana z fazą odniesienia i zapamiętana do sygnału 2. F porównawcza. W P różnicę faz sygnałów mierzy się dopiero po sprowadzeniu do wspólnej f. Są 2 metody: Powielanie. Stacje 1 i 2 emitują koherentne fazowo sygnały na f1 i f2 tak żeby: k1⋅f1=k2⋅f2=fh. W celu zapewnienia stałej relacji f1/f2=k1/k2 f emisji obu stacji powstają przez powielenie podstawowej f. W wyniku tego opóźnienie fazowe Φi=2πfh(t-di/c)+ξ, gdzie ξ-fazo pocz sygnału. Różnica opóźnień fazowych ΔΦ=(d2-d1)(2πfh)/c+ξp(różnica faz początkowych. Mieszanie. W wyniku mieszania docierających sygnałów różnica opóźnień ΔΦ=2π(f1-f2)t-(2π/c)(f1d1-f2d2)+(ξ1-ξ2). Gdy f1 i f2 są b bliskie to zachodzi zdudnianie i ΔΦ=2πfrt-(2π/c)fn(d1-d2)+(ξ1-ξ2). fh, na której w P dokonywany jest pomiar różnicy faz i która określa szer pasa hiperb jest fn. Fazę odniesienia należy przekazać przez porównanie dudnień lub modulację amplitudy. |
10. Aby móc określić pozycję z najmniejszym błędem w systemie L-C muszą być spełnione warunki: a) fale ze stacji master i secondary muszą docierać jako fale przyziemne, b) fale nie powinny przebiegać nad lądem, lub poprawka ASF powinna być wiarygodna, c) warunki propagacyjne (+meteo) co najmniej standardowe, d) odbiornik powinien być co najmniej średniej klasy, e) prawidłowa identyfikacja 3 cyklu, f) sprzyjająca geometria systemu. Aby spełnić te warunki nawigator powinien posiadać informacje o położeniu najbliższego łańcucha systemu L-C. Informacja ta znajduje się w Tomie II Radio-Signals oraz na mapach z naniesioną siatką hiperboliczną systemu L-C. Łańcuch taki powinien znajdować się możliwie blisko brzegu, a stacje powinny być tak ustawione aby linie pozycyjne(hiperbole) z dwóch stacji secondary krzyżowały się możliwie pod kątem prostym.(nie mniejszym niż 60 i nie większym od 120). Aby fale docierały do użytkownika jako fale przyziemne stacje nie mogą znajdować się w odległości większej od użytkownika niż 800-1200Mm. Wielkość ta zależy od mocy nadajnika, warunków propagacji i jakości odbiornika. Warunki propagacji zależą głównie od warunków meteorologicznych. Nawigator powinien uwzględnić to, że podczas burzy lub deszczu jakość sygnału może być gorsza. Gdy sygnał przebiega nad lądem to należy uwzględnić poprawkę ASF odczytaną z ”LoracC Tables”. Niektóre profesjonalne odbiorniki posiadają te poprawki w pamięci(kontury brzegu). Identyfikacja 3 cyklu zależy także od jakości sygnału. Jakość ta zależy od warunków propagacji oraz od ustawień tzw. noch filter. Filtr ten ma za zadani wyłowienie z całego widma sygnału właściwego sygnału L-C. Filtr ten w odbiornikach średniej klasy jest ustawiany ręcznie, co wymaga dobrej znajomości obsługi urządzenia przez nawigatora. Od odległości 200Mm istnieje możliwość pojawienia się fali jonosferycznej, która może zakłócić poprawną falę przyziemną. |
11. Zalety i wady LoranC. Zalety: stosunkowo duża dokładność określanej pozycji, dochodząca do kilkudziesięciu metrów, zawsze jednoznacznie określona linia pozycyjna, bieżące, w sposób ciągły określanie pozycji, zawsze jednoznaczna pozycja określana z 3 i więcej linii, system nienasycony, odbiorniki 2 generacji, które są w pełni zautomatyzowane, a pozycja sygnalizowana jest bezpośrednio we wsp geograficznych w wybranym układzie odniesienia, wolne od opłat korzystanie z systemu. Wady: system obejmuje jedynie wybrane rejony świata: N Atlanty i N Pacyfik, błąd określania pozycji zależy od geometrii systemu, konieczne jest uwzględnianie odpowiednich poprawek podczas określania linii pozycyjnej, gdy impulsy z 1 lub obu stacji docierają na fali jonosferycznej oraz gdy część sygnału dociera nad lądem, odbiornik może mylnie zidentyfikować 3 cykl fali nośnej, co prowadzi do zwiększenia o 10μs błędu różnicy czasu mierzonej w odbiorniku, niektóre odbiorniki sygnalizują jedynie wartości wybranych linii pozycyjnych co pociąga za sobą konieczność posiadania odpowiednich map systemu lub tablic hiperbolicznych, system mało odporny na zakłócenia(warunki meteo), uzależniony od właściwości propagacyjnych fal długich. |
12. Identyfikacja pasa hiperbolicznego w fazolokacyjnych. Są systemami hiperbolicznymi opartymi na pomiarze różnicy fazy. Ze względu na jednoznaczność linii pozycyjnej w obrębie 1 pasa hiperbolicznego zachodzi potrzeba jego identyfikacji. W tym celu zwiększa się szerokość pasa. Konieczna jest znajomość pozycji wstępnej z błędem nie większym niż szerokość 0,5 pasa(Mw<0,5dh). Oprócz siatki podstawowej odpowiadającej f=fh zostaje wytworzona dodatkowa siatka linii pozycyjnych zwana siatką identyfikacyjną odpowiadająca f=fh'=fh/k, gdzie k∈N. Oznacza to że szerokość pasa w siatce identyfikacyjnej jest k razy większe niż szerokość pasa podstawowego (k=kilka do100). dh'=k⋅dh. Wiąże się to z emitowaniem dodatkowej f przez stacje. NP. Punkt P, szer dn=5kbl, błąd pozycji =3Mm. Ile razy zwiększyć szer pasa aby go zidentyfikować? Pw- pozycja wstępna, Mw=3Mm, Warunek: Mw<0.5dn. Wynika stad, że dn>2Mw, czyli dn>6Mm. Dana szerokość pasa to 0.5Mm. k=6Mm/0.5Mm=12, więc k>12. Odp. Należy zwiększyć 13 razy( czyli zmniejszamy fn' o 13 razy, fn'=fh/13). NP. Omega: k=f/(|f'-fk|), fh'=f/k |
1. Modernizacja GPS. Zdarza się, że 24 satelity nie wystarczają. Stosuje się aktywne satelity zapasowe(3-5). W przyszłości planuje się zmianę konfiguracji: 1) 30 sztuk podstawowych (6 orbit po 5 satelitów), 2) dodanie 7 orbity dla i=0 (w płaszczyźnie równika), 3) włączenie do systemu GPS kilku satelitów geostacjonarnych. Przewiduje się że koło 2015 blok satelitarny będzie posiad ał wyłącznie satelity IIF(pierwsze satelity 2003-2005). Do roku 2005 będzie się wprowadzać satelity IIR(18 sztuk). Satelity będą miały możliwość zakłócania innych satelitów. Planuje się wprow adzenie kodu C/A dodatkowo na f=L2. L3C-nowa częstotliwość=1175,45MHz. Moc emitowanego sygnału na tej częstotliwości będzie większa od sygnału L1. Będzie głównie stosowana w lotnictwie. W 2013 ma nastąpić pełna modernizacja systemu. Przede wszystkim wymiana sprzętu i oprogramowania oraz połączenie stacji naziemnych w sieć. Im> liczba satelitów tym< GDOP. .DGPS jest różnicową odmianą systemu GPS i wywodzi się z systemu Omega. Na brzegu jest stacja DGPS w punkcie od dokładnie znanych wsp. Dokonuje ona pomiaru do wszystkich dostępn ych satelitów i określa na podstawie swojej pozycji i pozycji określonej przez pomiar z satelity poprawki pseudoodległości .Stacja przekazuje na statek zmierzone poprawki, natomiast odbiornik wykorzystuje tylko te poprawki dla satelitów z których dokonywał pomiaru. Sygnały przesyłane są na f=285,5-315kHz. Zakłada się że warunki na trasie satelita-stacja DGPS-statek są takie sam e. Do przekazywania poprawek na statki wykorzystywane są radiolatarnie(>100). Przekazują je w formacie RTCM(Radiotechical commision for maritime service). Pozycja określana jest w czasi e rzeczywistym z dokładnością do kilku m. Zasięg stacji DGPS zależny jest od mocy emisji i wynosi około 100-200km.Do odbierania sygnałów z stacji DGPS potrzebna jest odpowiednia anten a. WADGPS. GPS Network(kilkadziesiąt stacji i jedna master). Dokonuje się pomiary i przesyła do master, gdzie dokonuje się obliczeń odp poprawek z uwzględnieniem stanu tropo i jonosfery. Zostaje wysłany wektor poprawki korekcyjnej dotyczący przestrzennego błędu efemeryd. Odb odbiera efemerydy satelitów a poprawki bierze ze stacji i dopiero liczy pozycję(dokł 8-10m) |
2.Rozchodzenie się fal radiowych. Fala przestrzenna-antena nadawcza lub odbiorcza jest ponad pow Ziemi, a odl je dzieląca jest< od widoczności radiowej. Antena ponad pow Ziemi (na wysokości ki lkakrotnie przewyższająca długość fali. Dwie składowe: bezpośrednia i odbita od powierzchni Ziemi. Fala powierzchniowa-antena nadawcza i odbiorcza są bezpośrednio na powierzchni Ziemi, której parametry wywierają decydujący wpływ na wartość tłumienia. Fala troposferyczna-do anteny odbiorczej fala dociera tylko za pośrednictwem troposfery, dzięki superrefracji(wielokrotna refrakcja w duktach) lub rozproszeniu. Mikrofale i UKF. Fala jonosferyczna-fala dociera za pośrednictwem jonosfery. a)refrakcja jonosferyczna-fala dociera dzięki wielokrotnemu załamaniu si ę fal w jonosferze, b)falowodowy model -powierzchnia Ziemi i dolna warstwa jonosfery tworzą jakby falowód kulisty, wewnątrz którego rozchodzą się bardzo długie fale(10km) na duże odległo ści(8-9tysMm), c) propagacja przez rozproszenie-zachodzi w zakresie fal metrowych, d) odbicie fali od zjonizowanych smug powstających w wyniku przemieszczania się meteorów. Czynniki decydujące o propagacji fal: odl N-O(horyzont radiowy), hn i ho, parametry emisji, warunki propagacyjne na trasie N-O(warunki meteo, dzień, pora roku), jakość(czułość) odbiornika. Jonizacja-odrywanie się elektronów od atomów lub cząstek w wyniku dostarczenia im E przez: zderzenie z elektronami, jonami, atomami, promieniowanie elektromagn. o dostatecznie dużej E kwantów, termojonizację. Dzień: warstwy- D,E,F1,F2. Noc: E,F, chudsza. Źródła jonizacji: Słońce, promieniowanie gwiazd, kosmiczne, pył kosmiczny, meteory. Rekombinacja-łączenie się jonów i elektronów. Wsp załamania: nj=√(1-80,8⋅N/f2), N-gęstość elektronowa. f graniczna- max f przy której fala o f docierająca do jonosfery pod kątem Θ zdoła wrócić na ziemię. fgr=√(80.8Nemax). Horyzont optyczny(Do)<horyzont radiowy(Dr). Do=3,6(√hn+√ho), Do[km], hn-h nadajnika, ho-h odbi ornika, Dr=4,1(√hn+√ho). |
3.GEOSTAR-System odl w którym pomiary odl do użytkownika wykonuje centrum kontrolno obliczeniowe na drodze użytkownik-satelity-centrum. Centrum oblicza też wsp. użytkownika i przekazuje je za pośrednictwem tych samych satelitów. Użytkownik systemu musi nadawać sygnały radiowe przekazywane przez satelity do centrum(master station). Wsp. użytkownika są obliczane w centrum systemu i przekazywane do niego łączem radiowym. Segment kosmiczny ma dwa satelity geost.(H=35780, i=0); zasięg ϕ=75O Nlub S. W skład segm. naziemnego wchodzi reper geodezyjny(kontrola systemu i eliminowanie jego stałych błędów) System nasycony, dokładność(30-40m), odbieranie pozycji(system ciągły, na żądanie, okresowo). Poza określanie m pozycji zapewnia: alarmowanie o niebezp., f-cja ratownicza(EPPIRB).Każdy odbiornik posiada własny identyfikator. 3 tryby obliczania pozycji: ciągła, okresowa, na żądanie. GNSS.- tworzyć będą :GPS, GLONASS, WADGPS, INMARST z transponderami sygnałów nawigacyjnych analogiczni e do satelitów gps-u(GNSS1), W planach GNSS2 jest zintegrowanie różnych systemów o orbitach niskich,średnich i wyskich. Problemem w GNSS1- inny układ odniesienie i inna skala czasowa w GPS i GLONASS.UE zamierza zbudować : PROPNASS(Niemcy, Rosja) i EGNOS-AOC, 3 szt. Satelitów geostacjonarnych(λ=15,5W, 21,4E, 64,5E) Segment naziemny-34 stacje pomiarowo -obserwacyjne, 4 gł. Stacje kontrolne, 6 stacji transmitujących dane do satelitów, 2 stacje kontrolno wspomagające. Zasada działania: pom. w 34 st.- wyniki idą do stacji kontrolnych(obl. popr. d o pseudoodl. , obl. Wartości opóźnień jonosfer.) - stacje transmitujące- sat. Geostacjonarne- retransmisja na f=L1 GPS-u. GALILEO.- System budowany od podstaw. 4 koncerny(Alcatel, Aleni a, Deimler-Benz, Metra Marconi) Założenia- zasięg globalny, czas dowolny, wsp. Przestrzenno czasowe, serwis komunikacyjny, związ. z naw., otwarty dostęp do usług masowego odbioru., kom patybilnośc i operacyjność z systemem GPS. Segment kosmiczny: 30 sat. MEO, 3 orbity H=24000km. i=52. Koncepcja rezerwowa:24 MEO +9GEO. 95% runku światowego- USA, JAPAN, |
1.Liczba torów pomiarowych - 1 tor - sygnał z jednej satelity. Koniec lat 80 - 1,2 lub 4-5 torów pomiarowych - 5 torów: 4 tory pseudoodległoci, 1 tor almanad; potem 8 -11 torów możliwość pomiaru wektora prędkości jednostki (kurs, prędkość nad dnem), potem 12 torów (obecnie). 2.Sposób śledzenia satelity: ciągły jap.Koden - sposób sekwencyjny.3.max liczba śledzonych sat;widocznych może być 9 z 8 śledzonych sat. 4.Dolna gr h topocentryczna śledzonych sat (amer. Elevation, mashing elevation). Niewskazane jest brać sat będących nisko nad horyzontem zwykle Hmin>= 5 stopni .W tańszych odbiornikach Hmin jest zadane „z góry” , w droższych wybiera użytkownik(Koden 0,3,5,10,15° /do wyboru/, MX200 0-45° /profesjonalny/).5.kryt doboru sat do określenia pozycji /z 10 widocznych sat pozycje robimy z 4 sat./. W większości odb. Użytkownik nie może wpływać na wybór kryteriów doboru ale w odbiornikach profesj można wybrać kryterium. MX200 /6 torów pomiarowych/- 3 kryteria (1. minimalizacja odp. Współczynnika dokładnościowego , 2. 4 high + 2 /4 wysokie+2 satelity/, 3.higset).6.ukł odniesienia współrz : ukł globalny WGS-84 /World Geodetic System/, ukł lokalne /170 ukł lokalnych/).7.tryb okreś współrz odb: 2D-pozycja dwuwymiarowa/bez wysokości/- min 3 sat, 3D- 4 sat- pozycja we współrz. Przestrzenno-czasowych, 2D/3D /Auto/ wg możliwości (najtańsze tylko 3D, droższe - ustawienia)8.dopuszczalna dynamika obiektu, na którym odb jest zainstalowany/graniczne wartości przyspieszeń/ v przy której odb dobrze funkcjonuje.9.czas do otrz. I odczytu pozycji /TTF/- time to first fix ( cold star- w pamięci nie ma almanachu systemu i innych danych o sat.- średnio TTF kilkadziesiąt sek. - 30 min/czasem trzeba wprowadzić przybliżona pozycję/, warm start- raczej nie są wyłączane odb. Ale TTF jest wtedy od kilkunastu- kilkudziesięciu sek. |
10.Częstość uaktualniania pozycji - najczęściej 1sek.11.ocena dokład określ pozycji /sygna z dokład do 0,001' a nawet 0,0001', starsze odb do 0,01'/ Shipmate- litera sygn jakość pozycji: A-najlepiej, O-do odrzucenia, S-brak możl.określ pozycji, cyfry 1-9 , 9-najlepiej 12.wektor v użytkow: kąt[°] - do 0,1°, v [w]-do 0,1w / v- pomiary-zjawisko Dopplera lub uśrednianie ostatnich pozycji.13.Skale czasu : skala UTC/uniwersal time coordinated/, Local Time /do ustawienia/, opcja Winter/Summer.14.prezentacja danych określ. Status sat: numery i położenie wszystkich sat widocznych /azymut,wysokość/, liczba sat wykorzystywanych do określ. Pozycji i sygn, które+satelity.15.oprogramowanie naw: ile way-pointów można wprowadzić do odb. / do 1000 WP obecnie/,16. alarmy generowane przez odb: 2 rodzaje/-związ. z oprogramowaniem naw (alarmy, trawers, odległościowy),-związany z funkcjonowaniem systemu/lampka określanie koloru, hasła na ekranie odbiornika17.warunki pracy odb- są odb które mogą pracować tylko na mostku klimatyzowanym18.funkcjonowanie odb. w warunkach szczególnych np. gdy liczba sat spadnie poniżej wymaganej, gdy spadnie dokładność odb. Przechodzi na zliczenie pozycji. 19.wpływ zaniku napięcia na funkcjonowanie odb.- wyposażony w autonomiczne źródła asilania.20.możliwość połączenia odb. GPS-u z innymi urz. W jedną integralną całość np. - GPS i GLONAS= GG24, GPS- LORAN-C, GPS + log lub żyro, GPS wyprowadza inf na zewnątrz- musi mieć port wy NMEA 182/183 możliwość podłączenia odb. Do komputera, radaru.21.możliwość pracy w odmianie różnicowej /DGPS/ np. MX200 może pracować w tej odmianie. 22.prezentacja wybranych danych ; miniaturyzacja odb- prezentacja wielu danych |
4. Segment naziemnego. W skład naziemnego systemu satelitarnego wchodzą różne rodzaje stacji(zależnie od systemu): a)stacja główna(master station), b)stacje śledzące, c) stacje aktualizujące(injection stations). Stacje śledzące powinny być rozmieszczone możliwie najbliżej równika i w taki sposób aby w każdej chwili każdy satelita systemu był w zasięgu przynajmniej jednej z nich. Stacje te pobierają dane eksploatacyjne z satelitów oraz kontrolują jakość wysyłanych przez nie informacji. Dane te przesyłane są siecią do Master Station, gdzie następuje analiza błędów oraz wyliczane są efemerydy na następne kilka godzin oraz poprawki wzorca czasu satelity. Wyliczana jest też przybliżona poprawka jonosferyczna przeznaczona dla cywilnych odbiorników jednoczęstotliwościowych. Wyniki obliczeń przeprowadzonych w stacji głównej są przekazywane do stacji uaktualniających, które przesyłają je do poszczególnych satelitów. Dodatkowym zadaniem segmentu naziemnego jest korekcja położenia satelitów. W niektórych systemach(GEOSTAR) w stacjach naziemnych obliczane są wsp poszczególnych odbiorników, które wysyłane s do odbiorców. Czasem stacje śledzące i aktualizujące są połączone(GLONASS). Dodatkowo stacje naziemne są wykorzystywane do wielu innych zadań nie związanych z nawigacją. |
5. Obraz lampy oscyloskopowej. Balance1-antena DR, balance2-antenaLP. Przed wyrównaniem wzmocnień i przesunięć fazowych będzie widoczne(Rys). Obie elipsy są takie same bo kąt jaki tworzy płaszczyzna anteny z kierunkiem na radiolatarnię=pi/4. Urcospi/4=Ursinpi/4. Pokrętłami Line i Angle dokonujemy wyrównań wzmocnień i przesunięć fazowych. Na ekranie widać pod kątem 45 na Ballance 1i2(Rys). W celu znalezienia kierunku na RC przechodzimy na DF. Działają tu 2 anteny(DR,LP), Θ-błąd w określeniu kierunku wielkości kilku stopni wynikający z radiodewiacji(w przypadku kontenerowca).Indukuje się dodatkowe napięcie, które tworzy promieniowanie wtórne. Jest to także błąd wynikający z działania składowej fazowej efektu antenowego.(rys-tam gdize kierunek) Aby określić stronę trzeba przejść na S1,S2. właściwą będzie ta dla której min char kierunk pokryje się z min kardioid. Właściwa jest ta strona dla której widoczne jest min sygnału.(Rys-dla SI i SII, elipsa mniejsza dla strony gdzie jest radiolatarnia). |
6.Róznice(GPS/GLONAS): GPS(6x4 sat, gdzie na każdej orbicie 2 z 4 sat są w odległości 30o), GLONASS(3x8 sat rozmieszczonych równomiernie), okres obiegu (11h 57min58,3s / 11h15min-zapewnia przesunięcie satelity o 450), wysokość orbity (20183km/19100 km), vsatelity(3,87km/s / 3,95) nachylenie orbit(55°/64,8°), częstotliwość(L1:1575,42 MHz, L2:1227,6 MHz / L1:1597-1616 MHz, L2:1240-1260 MHz), różnice w kodach P, C/A, D, GPS lepiej działa w strefach okołorównikowych i zwrotnikowych, a GLONASS w okołobiegunowych, rodzaj współrz. w almanachu(parametry orbity wyznaczane za pomocą praw Kepplera/ za pomocą 9 parametrów satelity, wsp kartezjańskie), układ odniesienia wsp(WGS-84/Krsowskiego-SGS-85), błąd pozycji(<25m/50m), różne czasy systemu. Cechy wspólne: stadiometryczne zasada pomiaru, zasięg globalny pozycja ciągła w real time, system czasu UTC, jedna główna stacja kontrolna, pomiar pozycji polega na pomiarze pseudoodległości, systemy nienasycone, własne wersje cywilne i wojskowe, systemy stworzone i kontrolowane przez wojsko. |
7.Zliczanie Doplerowskie. Gdy N i O będą względem siebie w ruchu to fn≠fo. FD=fo-fn. Nadajnik jest na satelicie a odbiornik na statku(statek i Ziemia się rusza). FD=fn⋅(Vw/c), Vw-względna V radialna satelity. Wprowadzono generator o częstotliwości znanej i stałej. Zaczyna zachodzić zdudnienie. Zliczenie Doplerowskie polega na zliczeniu pełnej liczby cykli dudnień w pewnym przedziale czasu. N=∫(od t1 do t2)(fG-fo)dt, N=(fG-fs)⋅(t2-t1)+(fG/c)*Δδ, gdzie Δδ-różnica odległości O-N, czyli: Δδ=(c/fG)⋅(N-ΔF ΔT), ΔF=fG-fs, ΔT=t2-t1. Droga sygnału z satelity wydłuża się przech przez atmosferę co prowadzi do błędu, który kompensuje się przez zliczanie cykli na dwóch różnych f. Błąd powstaje w w yniku refrakcji jonosferycznej. Może być wyeliminowany przy pomiarze 2 f. Określanie odległości użytkownik-satelita(pomiar czasu). Mierzymy czas propagacji sygnału na trasie satelita-uż ytkownik. Satelita wysyła sygnał w znanym czasie tn. Sygnał dociera do użytkownika w chwili to. δ=c(to-tn). Użytkownik nie wie w którym momencie satelita wysłał sygnał, więc: Δts-odchyłka w czasie wzorca satelity od czasu systemu(znana i przesyłana do odbiornika), Δtu-odchyłka w czasie wzorca użytkownika od czasu systemu(nieznana). Rozwiązanie to pomiar jednoczesny do 4 satelitów o znanych wsp. δzm=c(to-tn)=δrz+c(Δtu-Δts)+cΔta, gdzie Δta-wydłużenie w czasie drogi w trakcie przejścia jonosfery. |
8. Radionamiernik akustyczny. 1) odbiór bezkierunkowy-pracuje antena bezkierunkowa, namierzamy się na radiolatarnię, 2) odbiór kierunkowy-pracuje antena krzyżowa. W każdej z anten indukuje się prąd w zależności od kąta α. System Bellini-Tossi: antena krzyżowa i goniometr z cewkami. 2 prostopadłe do siebie cewki odtwarzają pole elektromagnetyczne, a ostatnia jest szukająca. Kręcąc cewką szuka się min. Efekt antenowy-asymetria obwodu wejściowego i niedokładne ekranowanie wejścia odbiornika-powstaje dodatkowe U z anteny o właściwościach anteny bezkierunkowej. Składowe tego U: składowa fazowa(przesuwa min), pozafazowa(rozmazuje min). Błąd kierunku: redukcja balanserem-wyostrzenie min. Wytwarzamy napięcie o równej amplitudzie ale o różnej fazie. Źródłem napięcia jest pionowa antena bezkierunkowa. Fazy napięć pomiędzy anteną ramową i bezkierunkową różnią się o 90.Która strona: Napięcie z pionowej anteny bezkierunkowej jest dodawane lub odejmowane. W tym położeniu gdzie jest ciszej jest właściwa strona. Napięcie z anteny bezkierunkowej jest podawane przez przesuwnik fazy pi/2. 2. Radionamiernik akustyczno-optyczny. Lampa oscyloskopowa(α=Θ), przełącznik funkcyjny: Ballance-L-P(wzmocnienie fazy, przesunięcie fazy), D-R(wzmocnienie fazy, przesunięcie fazy =). Kąt będzie odzwierciedlany pod warunkiem zrównoważenia torów odbiorczych. Odłączamy jedną z anten(ballance1,2)-raz jedna raz drugą-kręcimy 2 pokrętłami: Line, Angle i celem jest uzyskanie kreski pod kątem pi/4. Pozycja DF- szukanie kierunku. Obie anteny podłączone są do właściwych torów odbiorczych. Aby ustalić stronę kręcimy goniometrem. Błąd radionamiaru: błąd KR, radiowego kąta kursowego, instrumentalny, odczytu, efekt nocny(trzeba mieć pewność że otrzymana fala jest przyziemna a nie mieszanka z jonosferyczną) |
9.Seg naziemny GPS- 5 naziemnych stacji kontrolnych rozmieszcz równom na Ziemi (Hawaje, Colorado, Diego Garcia, Kwajalein). Stacje wyposażone są w 2 komplety specjalnie skonstruow anych odb , z których każdy może śledzić sygnały radiowe od 12 sat na obu generow f. Zadaniem stacji jest śledzenie ruchu i poprawności działania sat, zbieranie danych i przesyłanie ich do gł stacji kontrolnej. 3 z nich (Ascension, Diego Garcia i Kwajalein) oprócz śledzenia przesyłają też dane do pamięci sat. Gł stacja kontrolna połączona z jedną ze stacji kontrolnych umieszczonych w bazie lotniczej Falcon. Na podst napływających do niej danych od stacji śledzenia sat oblicza prognozowane parametry orbit oraz odchyłki sat. Dane te są przesyłane i aktualizowane w pamięc i . St.Gł oblicza efemerydy na najbliższe 26h oraz odchyłki Δts→depesza wysyłana jest do sat co 24h. Droga sygnału(st.główna→3stacje korygujące→wszystkie sat). Seg kosm GPS - 24 x 6orb it ,których i=55°. Orbity w płaszcz równika oddalone są od siebie o 60°dł.geogr.Ich h=20183km, czas obiegu sat wokół Ziemi to połowa doby gwiazdowej=11h57' i 58,3'. Sat: L1: 1575,42Mhz( λ=19,03cm), L2: 1227,6MHz(λ=24,2cm). L1 i L2 powstają z f=10,23 powielanej odpowiednio 154 i 120 razy. L3: 1381,05, L4: 1783,84. L3 i L4(cel nienawig, inf dla stacji naziemnych). Z Zie mi są przekazywane są na 2227,5MHz. L1 i L2 są modulowane w fazie, kodowane 3 sygnałami: P(na L1iL2-precycyjny, C/A(naL1)-zgrubny, dostępny dla wszystkich. P i C/A służą do identyf sat, wykorzyst przy pomiarze pseudoodległ. Kod Y zastępuje czasem P. V kodów: D-50bit/s, C/A-1,023MHz, P-10,23MHz, Y-0,5Hz. Kod D(depeszy nawigacyjnej). Zawarte są efemerydy, czyli szczegółowe elementy orbitalne własne. Służą do obliczania ϕ,λ sat w danym czasie. D zawiera: poprawkę jonosf, czasu, efemeryd pozostałych satelitów, czyli almanach(12,5m). Zawiera 25: 24 strony (każda dla 1 sat) i 1 mówiąca o stanie sat. Cykl trwa 30s i dzieli się na 5 przedziałów 6s. W 1 ramce do 10 słów 30 bitowych. Cykl zaczyna się o północy. Słowa kluczowe generowane przez sat to TLW(synchronizacja czasu) i HOW(liczba cykli kodu P(Y), pozostałe to dane policzone i przesłane z Ziemi. Isekw-odchyłka wzorca czasu, popr jonosf, (2,3)-efemerydy orbitalne, (4)-znaczniki kodu P i Y, dane dla wojska, inf o sat zapas, (5)-1 strona almanachu. |
Echosonda, Troposfera, Jonosfera, GLONASS- segment naziemny i kosmiczny, LoranC-dokładniej, Poziom dźwięku w słuchawkach.