SYSTEMY GPS

1
SYSTEMY GPS
2
Czym jest GPS ?
NAVSTAR GPS Navigation Satellite Timing And
Ranging System

• 24 satelity na orbitach wokólziemskich
• Wyznaczanie pozycji, nawigacja i precyzyjny
  pomiar czasu
• Dzialaja 24 godziny na dobe przy kazdej
  pogodzie
• Uzywane wszedzie tam, gdzie potrzebna jest
  dokladna znajomosc polozenia

3
Z czego sklada sie GPS ?

• Satelity na orbicie
• Kontrola naziemna
• Uzytkownicy

• 1978 Pierwszy satelita Block 1 umieszczony na
  orbicie w roku.
• 1986 Katastrofa Challengera opóznia budowe
  systemu.
• 1989 Pierwszy satelita Delta 2.
• System GPS jest pod kontrola Departamentu Obrony
  USA

4
Satelity GPS
28 na orbicie (maj 2003) minimum 24
Satelita NAVSTAR
1400 - 1900 kg 5m szer. trwalosc 7,5 roku

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

5
Orbity satelitów GPS
physics.syr.edu/courses/PHY312.03Spring/GPS/GPS.ht
ml

• Okres obiegu ok. 12 h
• Codziennie wylaniaja sie znad horyzontu o 4 min.
  wczesniej

• 24 satelity w szesciu plaszczyznach
  orbitalnych nachylonych pod katem 55? do
  plaszczyzny równika. Wysokie orbity sa
  stabilne
• Odleglosc od Ziemi ok. 20 000 km.
• Dla porównania satelity TV (geostacjonarne)
  42,245 km

6
Sygnaly GPS

• Satelity nadaja sygnaly radiowe (mikrofalowe)
  na dwóch czestotliwosciach nosnych (moc
  300-350 W) L1 1575.42 MHz kod C/A
  cywilny L2 1227.60 MHz kod P/Y
  wojskowy
• Dostepna usluga Standard Positioning System
  (SPS)Dokladnosc przed wylaczeniem zaklócania
  (Selective Availability) ok. 100 m. Obecnie (po 1
  maja 2000) lt 13m (22m pion)
• Sygnal nie przenika przez przeszkody. Odbiornik
  musi widziec satelity. Problemy pojawiaja
  sie w dzungli i w miejskich kanionach.

7
Almanach satelitów

• Almanach satelitów jest to kompletna
  informacja o wszystkich przewidywanych
  orbitach satelitów.
• Almanach nadawany jest przez satelity razem
  z sygnalem czasu
• Odbiornik GPS automatycznie wczytuje
  almanach za kazdym razem, kiedy wlaczony jest
  przez czas dluzszy niz 15 min.
• Dane almanachu sa aktualne ok. 30
  dni. Odbiornik nieuzywany przez dluzszy czas
  pozostawic przez ok. 30 min. w miejscu
  gdzie widoczna jest wiekszosc nieba.
• Dane almanachu sa odbiornikowi potrzebne do
  oceny dostepnosci satelitów i wyswietlania ich
  polozenia.

8
Kontrola naziemna

• Stacje monitoringu sledza wszystkie
  satelity precyzyjnie mierzac w jakiej
  odleglosci sie znajduja.
• Stacja Centralna (Master Control Station - MCS)
  przetwarza dane obliczajac trajektorie
  satelitów
• MCS poprzez anteny naziemne przesyla dane o
  polozeniu i trajektorii do satelitów.
• Satelity nadaja informacje 1) Polozenie
  i czas 2) Almanach - obliczone
  (przewidywane) trajektorie 3) Poprawki
  do orbit otrzymane z MCS

9
Wyznaczanie odleglosci od satelity

• Zegary satelitów i odbiornika sa dokladnie
  zsynchronizowane
• Satelity i odbiorniki generuja ten sam
  pseudolosowy kod (patrz rysunek)
• Z przesuniecia kodu wlasnego i kodu otrzymanego
  z satelity odbiornik moze obliczyc odleglosc
  do satelity
• Dodatkowe komplikacje sa spowodowane tym, ze
  predkosc rozchodzenia sie sygnalu zalezy od
  stanu atmosfery (zawartosc wody) i wysokosci
  satelity (teoria wzglednosci)

10
ZASADY POMIARU POZYCJI ODBIORNIKA Satelita GPS
wysyla sygnal 50 razy na sekunde na dwóch
czestotliwosciach L1 i L2 (PRECISE dla
zastosowan wojskowych ), zawierajace depesze
nawigacyjne parametry orbity poprawke zegara
odbiornika, dokladny czas zegara atomowego oraz
stan systemu. Dostepnosc L2 jest ograniczana
dla uzytkowników cywilnych. Dokladnosc
wyznaczenia pozycji anteny bez informacji z L2
ograniczona do 10-15 m. Kazdy sygnal dostarcza
jedno równanie z 4 niewiadomymi (X,Y,Z,T)
Kody w sygnale GPS wykorzystywane sa do
pomiaru czasu przebiegu sygnalu od satelity do
odbiornika. Do wyznaczenia pozycji odbiornika
konieczna jest takze znajomosc polozenia satelity
w chwili nadania sygnalu.
11
ZASADY POMIARU POZYCJI ODBIORNIKA Ta i inne
informacje zawarte sa w depeszy nawigacyjnej
nadawanej przez satelity. W systemie GPS pozycje
wyznacza sie poprzez znalezienie punktu
przeciecia linii pozycyjnych emitowanych przez
satelity. Jednak kazda taka linia obarczona
jest pewnym bledem, tak wiec miejsce przeciecia
tych linie nie jest punktem, ale obszarem
zaleznym od wzajemnego polozenia satelitów.
12
Zastosowania

• TRANSPORT ? Drogowy ? Kolejowy ? Lotniczy ?
  Publiczny ? Morski
• SIECI ENERGETYCZNE ? Pomiar czasu z
  dokladnoscia mikrosekundowa pozwala
  zlokalizowac miejsce awarii z dokladnoscia
  do 300 m, co jest równe odleglosci miedzy
  slupami ? Prace poszukiwawcze, np.
  pozycjonowanie platform wiertniczych.
• TELEKOMUNIKACJA ? Precyzyjna lokalizacja
  telefonów komórkowych ? Serwisy
  informacyjne zalezne od lokalizacji
  telefonu ? Procedury ratunkowe zalezne od
  polozenia ratowanego. ?

13

• SZYFROWANIE ? Precyzyjny sygnal czasu moze byc
  podstawa skutecznych i powszechnych
  metod szyfrowania finanse, bankowosc,
  ubezpieczenia certyfikacja dokumentów
  elektronicznych
• ROLNICTWO ? Latwa i szybka rejestracja obszarów
  zajmowanych pod poszczególne uprawy ?
  Precyzyjne stosowanie chemikaliów
• SRODOWISKO ? Badanie stanu atmosfery ?
  Monitorowanie gatunków zwierzat
• POMOC LUDZIOM NIEPELNOSPRAWNYM ? Informacja o
  polozeniu i wskazywanie drogi niewidomym
  (zastepuje mape) ? Planowanie trasy dla ludzi na
  wózkach inwalidzkich (programowalne
  wózki) ? Pomoc dla ludzi z zanikami pamieci
  (choroba Alzheimera) ? Systemy informacji w
  srodkach transportu publicznego

14
Badanie atmosfery
GPS Atmosphere Sounding Project (GASP)
GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ)
www.gfz-potsdam.de/pb1/GASP
Calkowita zawartosc pary wodnej w atmosferzew
ciagu ostatnich 24 godzin
Water Vapor Estimation from Ground GPS Networks
Assimilation into Atmospheric Models
15
Ekstremalna precyzja drgania budynków
Dokladnosc 7.6 mm !!!
16
Europejski GPS
Projekt europejskiego systemu nawigacji
satelitarnej (GNSS)
GNSS I (EGNOS) European Geostationary
Navigation Overlay System Sklada sie z
trzech satelitów geostacjonarnych, 34 stacji
naziemnych i trzech centrów kontroli.
Wykorzystuje zarówno sygnal amerykanskiego GPS,
jak i rosyjskiego GLONASS (GLObal
Navigation Satellite System) Poprawi w
Europie dokladnosc z obecnych 20 m do 5 m.
Przeznaczenie wylacznie cywilne, glównie dla
transportu. GNSS II (GALILEO) Europejski
odpowiednik amerykanskiego GPS. Ma konkurowac z
GPS, ale oba systemy maja wspólnie tworzyc
system ogólnoswiatowy (GNSS). GALILEO ma
kosztowac 3,5 mld. EGNOS bedzie konieczne dla

integracji GPS i GALILEO. Stany Zjednoczone
próbowaly zahamowac budowe niezaleznego
systemu europejskiego.
17
EGNOS i GALILEO
Dokladnosc pozioma obecnego GPS 27 satelitów na
6-ciu orbitach geostacjonarnych. Mozliwa
rozbudowa do 31-32 satelitów minimum 21 3
zapasowe
Dokladnosc pozioma GPS EGNOS 3 dodatkowe
satelity 34 stacje naziemne
Dokladnosc pozioma GALILEO 30 nowych satelitów
europejskich na 3 orbitach 23 616 km nachylonych
56? do plaszczyzny równika
18
WAAS EGNOS - MSAS
Regionalne systemy wspomagajace GPS Poprawiaja
dokladnosc
19
Stacje EGNOS
20
EGNOS dzisiaj
3 satlity geostacjonarne transmitujace poprawki
GPS

• System uruchomiono 28 lipca 2005 (faza
  wstepna)
• 2006 - oficjalne ogloszenie dostepnosci
  sygnalu
• 2007 dostepnosc sygnalu dla systemów
  ratujacych zycie
• SISNet transmisja sygnalu EGNOS w
  Internecie. Dostepny, na przyklad, poprzez GPRS
  (niezaleznie od widocznosci satelitów
  geostacjonarnych EGNOS)

21
Dziekuje za uwage