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 opóz
nienie
Beidou / Compass
Beidou (Wielka Niedz
wiedzica) - 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 z
ródła błędów GPS
" Formaty współrzędnych GPS