1. moni CAR www.echotrack.sk Ing. Ján Cimba – moni CAR Kalinčiakova 17
Banská Bystica

2. moni CAR
GPS
(Global Positioning System)

3. GPS Global Positioning System NAVSTAR
moni CAR
GPS Global Positioning System NAVSTAR
Princíp činnosti
GPS systém NAVSTAR tvoria tri segmenty
kozmický, riadiaci, užívateľský
Presnosť GPS
Metóda merania diferenčná GPS – DGPS
Definícia presnosti a dosiahnuteľná presnosť DGPS
Štandardy pre GPS
RTCM SC – 104
NMEA 0183
Vvužitie GPS
GPS – 1973, 94 (24)
GLONAS (GLObal NAvigation Satellite System) – 1982, 98 (24)
GALILEO Global Navigation Satellite System (GNSS) 1999, 08
(30)

4. (Navigation System using Time and Ranging)
moni CAR
GPS systém NAVSTAR
(Navigation System using Time and Ranging)
tvoria tri segmenty:
kozmický
riadiaci
užívateľský

5. moni CAR Princíp činnosti
GPS označovaný NAVSTAR je založený na princípe jednosmerného dĺžkomera. Meranou veličinou je doba šírenia rádiového signálu z družicovej antény k anténe prijímača. Nameraný čas sa prepočítava na vzdialenosť. Rýchlosť šírenia signálu je známa – rýchlosť svetla. Každý satelit v navigačnej správe, okrem iných údajov, vysiela i parametre svojej dráhy – efemeridy, z ktorých vieme vypočítať polohu – súradnice (x,y,z) družice. Na základe známej polohy 3 satelitov, ich vzdialenosti od prijímača a presného času prijímač vypočíta svoju aktuálnu polohu (2D). Ak máme k dispozícii signál z 4 a viac i nadmorskú výšku (3D). Pokiaľ sa prijímač pohybuje, systém vie takisto určiť jeho rýchlosť, smer, ako i ďalšie navigačné údaje. Tak isto je možné získať informácie o presnom čase UTC.

6. moni CAR

7. 6 kruhových dráh s inklináciou 55°
moni CAR
kozmický segment
24 satelitov
plná konfigurácia
21 – 28 satelitov (min. 3 záložné)
možná zmena obežnej dráhy jednotlivých satelitov
obežná dráha vo výške km
6 kruhových dráh s inklináciou 55°
doba obehu je približne (1/2 dňa) 11 hod. 58 min.
navigační signály družice vysielajú na frekvenciách
1 575,42 MHz a 1 227,6 MHz

8. moni CAR
kozmický segment

9. - hlavná riadiaca stanica - monitorovacie stanica
moni CAR
riadiaci segment
(pozemný)
- hlavná riadiaca stanica
- monitorovacie stanica
- stanice pre komunikáciu s družicami

10. SIGNÁL GPS – každá družica vysiela na dvoch nosných frekvenciách:
moni CAR z
Na základe informácií z monitorovacích staníc, ktoré prijímajú signály zo satelitov, sú v riadiacom centre vypočítavané parametre dráh jednotlivých družíc – EFEMERIDY a parametre hodín družíc. Tieto sú potom pomocou komunikačných staníc vysielané späť do satelitov a odtiaľ k užívateľovi.
SIGNÁL GPS – každá družica vysiela na dvoch nosných frekvenciách:
L1 = 1 575,4 MHz, vlnová dĺžka 19 cm
L2 = 1 227,6 MHz, vlnová dĺžka 24 cm
Nosná vlna L1 je modulovaná dvoma navigačnými kódmi reprezentovanými tzv. pseudonáhodnými šumami (Pseudo Random Niose) – PRN kódy. Jedná sa o presný alebo tiež P – kód (Precision, alebo P-code), ktorý môže byť pre vojenské účely zašifrovaný (potom sa označuje Y – kód) a hrubý/dostupný alebo tiež C/A kód (Coarse/Acquistions alebo C/A code), ktorý nie je šifrovaný.
Nosná vlna L2 je modulovaná len P – kódom (resp. jeho šifrovanou variantou Y – kódom).
Okrem PRN kódov C/A a P je oboma nosnými frekvenciami prenášaný binárny kód tzv. družicová navigačná správa

11. “Družicová navigačná správa“ obsahuje:
moni CAR
“Družicová navigačná správa“ obsahuje:
čas vysielania začiatku správy
keplerovské efemeridy družice
údaje umožňujúce korigovať presne čas a vysielanie družice
almanach – informácie o efemeridách ostatných družíc
(12,5 min – 25 správ)
stav družice (chorá, zdravá)

12. moni CAR
užívateľský segment
sa skladá z GPS prijímačov, užívateľov a nástrojov a postupov k vyhodnoteniu meraní. GPS prijímače vykonajú na základe prijatých signálov z družíc predbežné výpočty polohy, rýchlosti a času.
GPS prijímače – môžeme rozdeliť podľa rôznych kritérií, najčastejšie sa používajú tieto:
podľa spôsobu použitia
podľa spôsobu merania
podľa počtu súčasne sledovaných družíc

13. užívateľský segment moni CAR GPS prijímače podľa spôsobu použitia
letecké, lodné, kozmické, ručné navigačné, mapovacie, meračské, časovacie, OEM moduly, PC karty, ...
GPS prijímače podľa spôsobu merania.
Podľa použitého princípu merania rozdeľujeme
prijímače do dvoch skupín:
prístroje založené na sledovaní PRN kódov
prístroje založené na fázových meraniach
            
      
    
            
            

14. užívateľský segment moni CAR
Prístroje založené na sledovaní PRN kódov sú určené predovšetkým pre navigačné účely. Je možné ich použiť i pre zber dát pre potreby merania, ale je potrebné mať na pamäti presnosť získaných výsledkov a tomu podriadiť i mierku výslednej mapy, prípadne ďalšieho spracovania v GISe.
Prístroje založené na fázových meraniach sú určené predovšetkým k meračským účelom. Pri práci v teréne rovnako používajú PRN kódy na určenie polohy a času, ale pri následnom spracovaní (post-processingu) sú spracovávané výsledky fázových meraní k získaniu veľmi presných polôh. Presnosť určenia základne sa udáva 1 cm (1 ppm dĺžky základne). Tieto prístroje môžu byť
jednofrekvenčné alebo dvojfrekvenčné.
FÁZOVÉ MERANIA sú založené na určení fázového posunu
nosnej vlny

15. užívateľský segment moni CAR
GPS prijímače podľa počtu súčasne sledovaných družíc delíme na:
jednokanálové
viackanálové
                                              
                                              
                                              
                                              
                                              

16. moni CAR
užívateľský segment
                                              
     

17. moni CAR
Presnosť GPS
Určenie polohy meraného bodu sa dá vysvetliť tak, že sa nachádza v priesečníku guľových plôch, ktorých polomer je daný meranými vzdialenosťami. Pre dosiahnutie vysokej presnosti určenia polohy je teda dôležité, aby sme využívali čo najväčšieho počtu viditeľných družíc, ktoré musia byť vhodne rozložené po horizonte. Celý kozmický segment je navrhnutý tak, aby bolo vždy viditeľné najmenej 5 – 8 satelitov.

18. moni CAR
Presnosť GPS
Vzhľadom na požiadavku strategickej bezpečnosti USA, ich vláda rozhodla o zavedení režimu prevádzky GPS – výberový prístup „SA“ – SELECTIVE AVAILABILITY. Jedná sa o zámerné zhoršovanie presnosti merania vzdialenosti tým, že sa mení hodinová frekvencia signálu družíc a efemeridy v navigačnej správe. Táto zložitá náhodná funkcia bola zavádzaná do systému od 90 rokov. Výsledkom tohto opatrenia bolo zámerné znepresnenie pre civilné aplikácie. GPS prijímač s presnosťou 10 – 15 m zapojením SA chyby znižoval presnosť v určení polohy až na 100 m v polohe a až 150 m vo výške.
Okrem „umelej chyby SA“ najväčším zdrojom chýb systému sú chyby v určení polohy družice alebo v určení jej presnej dráhy. Pre podstatné zredukovanie týchto chýb je výhodnejšie určovať tzv. „relatívnu polohu“ – vektory (s chybami kozmického segmentu sa neuvažuje), ako určovať „absolútnu polohu“ v akomkoľvek súradnicovom systéme.
Okrem náhodných chýb pri meraní s GPS je výsledok ovplyvňovaný tiež systematickými chybami – chyby vyvolané družicou (chyby hodín, excentricita fázového centra antény, prípadne variácie tohto stredu, chyby palubných efemeríd), chyby vyvolané prostredím v ktorom sa šíri signál (troposferické a ionosferické refrakcie) chyby spôsobené prijímačom (variácie fázovího centra antény, systematická chyba hodín,...) ...

19. Presnosť GPS moni CAR WAAS EGNOS MSAS (Wide Area Augmentation Systém)
(European Geostationary Navigation Overlay System)
MSAS
(Multifunctional Transport Satellite-based Augmentation
System)

20. moni CAR
DGPS
(Differential Global Positioning System)

21. DGPS moni CAR Definícia presnosti a dosiahnuteľná presnosť DGPS
Pre presnosť DGPS sú definované dve základné chyby. Prvá ako pravdepodobná kruhová chyba – CEP, je daná polomerom kruhu, v ktorom budú správne horizontálne súradnice umiestnené aspoň 50% doby merania. Druhá ako pravdepodobná sférická chyba – SEP, je daná polomerom gule, v ktorej bude správna ploha umiestnená aspoň v priebehu 50% doby merania.

22. moni CAR
DGPS

23. DGPS moni CAR Dosiahnuteľná presnosť DGPS
5 – 1m: Pre prijímače určené k mapovaniu vybavené DGPS. V reálnom čase i post-processingom. Sleduje PRN kódy.
1m – 10 cm: Pre prijímače určené k mapovaniu a geodetickým meraniam vybavené DGPS. V reálnom čase i post- -processingom. Prijímače sledujú PRN kódy a už využívajú aj fázové merania.
10 cm – sub-cm: Pre prijímače určené k mapovaniu, eodetickým meraniam vybavené DGPS. V v RČ i PP. Sledujú PRN kódy a fázové merania.

24. ŠTANDARDY PRE GPS moni CAR
Existujú 2 štandardy, ktoré sú široko a úspešne využívané pre aplikácie GPS. Je to štandard RTCM pre diferenčné korekcie a NMEA štandard k hláseniu polohy, rýchlosti a dát o satelitoch. I keď tieto štandardy boli pôvodne navrhnuté pre námorné použitie, boli prijaté po celom svete pre všetky aplikácie GPS.
RTCM SC – 104
NMEA 0183
Zvláštny výbor rádiotechnickej komisie pre námorné služby (SC – 104) definoval správy diferenčných korekcií, ktoré sa používajú všade vo svete.
Národné námorné združenie pre elektroniku definovalo k prispôsobovaniu námorných elektronických zariadení. Bolo navrhnutých 6 špeciálnych správ pre použitie GPS
GGA GPS dáta o polohe, GSA GPS dáta o DOP a aktívnych satelitoch, GSV GPS satelity v dohľade, GRS GPS odchýlka vzdialenosti pre každý satelit, GTS GPS štatistika o šume pri meraní pseudovzdialeností, GBS GPS detekcia chýb satelitov so štatistikou odhadnutej odchýlky.

25. moni CAR
VYUŽITIE GPS
Výhodou GPS je dnes jeho dlhodobý vývoj, stabilita, spoľahlivosť a podpora vlády USA. Z toho vyplýva jeho využiteľnosť pre civilné i vojenské využitie.
GPS je dnes jedným z veľmi dobrých prostriedkov pre navigáciu určovanie polohy, rýchlosti a času.
Ing. Ján Cimba
apríl 2003

26. moni CAR

27. moni CAR

28. moni CAR

29. moni CAR