• Save
4 gnss 2011
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×
 

4 gnss 2011

on

  • 1,240 views

 

Statistics

Views

Total Views
1,240
Views on SlideShare
1,240
Embed Views
0

Actions

Likes
0
Downloads
0
Comments
0

0 Embeds 0

No embeds

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Microsoft PowerPoint

Usage Rights

CC Attribution-NonCommercial LicenseCC Attribution-NonCommercial License

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

4 gnss 2011 4 gnss 2011 Presentation Transcript

  • Základy geoinformatiky|Jiří ŠmídaZáklady geoinformatikyTéma 5: Globální navigační a polohové systémy (GNSS) Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
  • Obsah přednášky1. Určování polohy, navigace2. Určování polohy a navigace pomocí družic3. GPS4. Pojmy GNSS5. Aplikace2 Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
  • Přednáška na Slideshare.net/jirsm/3 Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
  • 1. Určování polohy, navigace GNSS
  • Navigační systémy jako disciplínageoinformatiky technologie družicových navigačních a polohových systémů umožňují určovat polohu a navigovat za jakéhokoliv počasí, celý den a „kdekoliv“ vývoj od 50. let 20. století GPS – GLONASS – GALILEO 1 mil. přijímačů/rok 10 mld. USD/rok 5
  • Určování polohy a navigace potřeba člověka určovat svou polohu potřeba dostat se efektivně z místa na místo po předem určené trase = navigace prostředků primitivní navigace využíváme každodenně efektivní prostředky navigace prodělávaly vývoj úhlová měření – radiové navigační systémy pozemní vysílače – družicové systémy 6
  • Určování polohy určování polohy = procesy a technologie používané pro stanovení polohy bodů v prostoru polohu lze určit základními způsoby:  přímým měřením  nepřímým měřením 7
  • Určování polohy nepřímým měřením polohu určujeme na základě vyhodnocení měření jiných veličin než jsou souřadnice  úhloměrná měření  dálkoměrná měření  kombinace 8
  • 2. Určování polohy a navigace pomocí družic9
  • Navigace vedení dopravního prostředku po předem vytyčené trase do 20. stol. výhradně námořní doprava navis (loď) + agere (přemísťovat, směřovat) základní metody jsou založeny na matematických a fyzikálních principech:  navigace podle orientačních bodů  navigace podle hvězd  navigace výpočtem  radiová navigace  inerciální navigace 10
  • Navigace podle duhu dopravy lze vymezit  námořní navigaci  navigaci pod vodní hladinou  pozemní navigaci  leteckou navigaci  kosmickou navigaci oblast aplikace má svá specifika:  prostředí  rychlost pohybu  rozměrnost  volnost pohybu 11
  • Určování polohy a navigace pomocí družic  využití fyzikálních principů, rádiových vln  radiové navigační systémy (radiomajáky a uživatelská zařízení)  radiomajáky ve vesmíru  globální družicové navigační systémy (Global Navigation Satellite Systems, GNSS) 12
  • Zájem… jaké jsou důvody vysokého počtu uživatelů GNSS:  relativně vysoká polohová přesnost  schopnost určovat i rychlost  dostupnost signálu  standardní služby zdarma  dostupnost ve špatném počasí  24 hodin denně  3D 13
  • Principy rádiového určení polohy metoda úhloměrná metoda dopplerovská metoda dálkoměrná metoda založená na měření fáze nosné vlny základní podmínky: znalost přesné polohy radiomajáku 14
  • Obecná struktura GNSS systém GPS tvořen třemi segmenty  kosmickým  řídícím  uživatelským pro správnou funkčnost systému jsou potřeba všechny přesný čas je základním předpokladem 15
  • 3. GPS16
  • Počátky systému 70. léta 20. stol.: vývoj družicových navigačních systému v USA a SSSR družicové pasivní dálkoměrné systémy 70. léta: SSSR, GLONASS (Globalnaja Navigacionnaja Sputnikovaja Systema) 17/12 1973: USA, rozhodnutí o budování systému GPS (NAVSTAR), sjednocení vývoje 1974: vypuštěny 1. družice (Timotion  NTS-1, NTS-2) 17
  • Počátky systému 12/1993: počáteční operační stav (Initial Operational Capability – IOC), obsazeno všech 24 pozic, družice fungují bezchybně, poskytují standardní polohovou službu, změny oznamovány 48 hod. předem 17. 7. 1995 – dosaženo plného operačního stavu  období rutinního provozu budování rozšiřujících systémů pro šíření diferenčních korekcí 18
  • Základní znaky systému GPS vojenský systém s rozsáhlým civilním využitím (spravován ministerstvem obrany USA) desítky miliónů uživatelů příčiny masivního rozšíření:  relativně vysoká přesnost  určování rychlosti a času  dostupnost signálu kdekoliv (na povrchu, na moři, ve vzduchu, v blízkém kosmickém prostoru)  standardní služba civilním uživatelům přístupná zdarma  pracuje za každého počasí 24 hod./denně  polohu je možné určovat v 3D prostoru  přijímač je cenově dostupný 19
  • Struktura systému GPS systém GPS tvořen třemi segmenty  kosmickým  řídícím  uživatelským pro správnou funkčnost systému jsou potřeba všechny přesný čas je základním předpokladem 20
  • Kosmický segment GPS  GNSS se liší počtem družic a parametry oběžných drah  soustava 24 družic  systematické rozmístění  6 oběžných drah  na každé 4 družice  stálá poloha vůči Zemi  sklon 55 stupňů k rovníku  20 200 km  oběžná dráha polovina siderického dne (11 hodin 58 minut)  cíl – dostupnost signálu ze 4 družic kdykoliv, kdekoliv  v ideálním případě až 12 21
  • Kosmický segment GPS  v rámci projektu GPS doposud vyvinuto 6 generací družic  Navigation Technology Sattelites (NTS)  Navigation Development Sattelites, Blok I  Blok II  Blok IIA  Blok IIR  Blok IIF  plánuje se Blok III 22
  • GPS IIA GPS IIR GPS IIR GPS III23 GPS IIRzdroj: http://www.lockheedmartin.com/products/GPS/
  • Kosmický segment GPS  družice mají plánovanou životnost 3 roky, skutečnost je jiná  družice Bloku IIR prům. životnost 7,8 let  atomové hodiny (césiové, rubidiové)  GPS počítač  generátor dálkoměrného kódu (PRN)  přijímač/vysílač  solární panely  raketové motory 24
  • Řídící segment GPS úkol: aktualizovat údaje obsažené v navigačních zprávách vysílaných družicemi kosmického segmentu efemeridy – přesné údaje oběžných drah soustava 5 pozemních monitorovacích stanic (Monitoring Stations – Havaj, Kwajalein, Diego García, Ascension, Colorado Springs) 25
  • Řídící segment GPS 26
  • Uživatelský segment GPS tři funkční bloky:  anténa  navigační přijímač  navigační počítač antény od nejlevnějších používaných pro příruční přijímače pro běžné použití po vysoce přesné vhodně pro geodetická měření anténa vykazuje míru: citlivosti, odolnosti vůči rušivých signálům 27
  • Uživatelský segment GPS  navigační přijímač – zpracovává signály přijaté z družic  zpracovává navigační zprávy  vypočítává vzdálenost k družicím  přijímač tvoří: vstupní jednotka, časová základna (krystalem řízené hodiny), měřící přijímač  podle počtu měřících přijímačů rozlišujeme přístroje jedno- a vícekanálové  čím více přijímačů, tím je přístroj schopen sledovat více družic současně  výhody: přijímač rychleji vyhledává družice a je tak rychleji připraven určovat svou relativní polohu  polohu určuje přesněji  polohu určuje i v husté vegetaci 28
  • Uživatelský segment GPS navigační počítač – zpracovává data získaná měřícími přijímači vyhodnocuje aktuální polohu, aktuální čas GPS stanovuje rychlost, příp. další zpracování transformace souřadného systému zavádění diferenčních korekcí 29
  • 30
  • Signály vysílané družicemi GPS  každý signál vysílaný družicí GPS kombinací  nosné vlny  dálkoměrného kódu  navigační zprávy  vysílání na dvou nosných frekvencích:  1575,42 MHz, 19 cm = L1  1227,60 MHz, 24 cm = L2  L1: Standard Positioning Service (SPS)  dálkoměrné kódy přesný (P-code, Precision) a hrubý/dostupný (C/A code, Coarse/Acquisition)  P-kód může být šifrován (Y-kód)  L2: Precise Positioning Service (PPS)  pouze P-kód (resp. Y-kód), umožňuje měřit zpoždění signálu při průchodu ionosférou 31
  • Selektivní dostupnost SA (Selective Availability) náhodně vnášená chyba do C/A kódu snižuje přesnost na 100 m lze ji odstranit (zmírnit) pomocí diferenčních korekcí (na 1 m) 32
  • Určování absolutní polohy přímo v terénu  přímo v terénu lze určit polohu pomocí zdánlivých vzdáleností získaných z kódových měření  kódová měření: základní principem určování vzdáleností mezi přijímačem a družicemi pomocí dálkoměrných kódů  dálkoměrné kódy = přesné časové značky ve vysílaném kódu  umožňují zjistit čas, kdy byla kterákoliv část kódu odvysílána z družice 33
  • Určování absolutní polohy přímo v terénu  ve vstupním signálu, přicházejícím z antény identifikuje dálkoměrný kód příslušné družice  zjistí čas odeslání a přijetí jedné sekvence kódu  ze zjištěného časového rozdílu Δti určí vzdálenost mezi přijímačem a družicí di  dle jednoduchého vztahu di = Δti . c c je rychlost šíření radiových vln 34
  • Určování absolutní polohy přímo v terénu  hodiny přijímače nejsou zcela synchronní se systémovým časem družicového navigačního systému (GPS), časový rozdíl Δti je zatížen určitou chybou hodin přijímače  zjišťujeme zdánlivou vzdálenost (pseudorange) 35
  • Určování polohy a času přístroji GPS  předpokládejme nepřítomnost chyb (časové, náhodný šum, další)  jedno měření  přijímač se nachází někde na kulové ploše se středem v družici a s poloměrem r1 rovným vypočtené vzdálenosti 36
  • Určování polohy a času přístroji GPS  provedením dalších dvou měření zpřesňujeme  bod musí ležet současně na více kulových plochách 37
  • Určování polohy a času přístroji GPS prakticky problémy v synchronizaci hodin 38
  • Určování polohy a času přístroji GPS posun hodin oproti systémovému času je známý  je možné jej dodatečně korigovat není známý časový posun hodin přijímače ΔT vůči systémovému času vypočtené hodnoty upravíme o hodnotu c. ΔT 39
  • Určování polohy a času přístroji GPS 40
  • určování relativní polohy diferenční měření lze přímo v terénu nebo postprocesing založeno na kódových měření referenčního přijímače umístěn na bod o známých souřadnicích lze dosáhnout zpřesnění 1 m WAAS, EGNOS 41
  • Faktory ovlivňující přesnost GPS úroveň přesnosti dosažitelná při použití vhodného technického a programového vybavení a pracovních postupů zatížení náhodnými a systematickými chybami stovky metrů až milimetry (dle použitého vybavení, metodě měření, vlastnostech prostředí, způsobu vyhodnocování měření) chyby lze z výsledku měření odstranit:  A: přímým odečtením chyb z měření (složité matematické modely vzniku a chování chyb (korekce hodin družic, korekce efemerid, korekce vlivu ionosféry)  B: použití vhodné metodiky měření (např. diferenční měření) 42
  • Další faktory ovlivňující přesnost GPS dostupnost – rozsah, ve kterém je systém dostupný uživatelům integrita – schopnost monitorovat výkon spolehlivost cena 43
  • Zdravá/nezdravá družice družice pracují téměř nepřetržitě od svého umístění na oběžnou dráhu s výjimkou periodické údržby údržba césiových hodin (každého 1/2 roku): dopumpování plynové trubice (asi 18 hod.)  družice je v tomto čase označena jako nezdravá korekce oběžné dráhy – manévr, kterým se družice umisťuje zpět na určené místo oběžné dráhy (k vychýlení dochází vlivem změn gravitačního pole Země), nezdravá asi 12 hod. 44
  • GLONASS45 Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
  • GLONASS  ГЛОНАСС - ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система  Global Navigation Satellite System  pasivní dálkoměrný družicový navigační systém  Ruské kosmické síly  Koordinační vědecké informační centrum Kosmických sil Ruské federace 46
  • GLONASS – aplikace  řízení a zvýšení bezpečnosti letecké a námořní dopravy  geodézie a kartografie  monitorování pozemní dopravy  synchronizace času mezi odlehlými místy  ekologický monitoring  vyhledávací a záchranné služby 47
  • GLONASS – historie  vývoj původně pro účely sovětské armády (navigace a zaměřování balistických střel)  vývoj na základě poznatků ze systému Cikáda  1976: vývoj  1982: vyneseny první družice (více než 70 družic)  9/1993: oficiální uvedení do provozu  1995–96: kompletní konstelace  2001: 7 zdravých družic  spolupráce s Indií 48
  • GLONASS – vývoj 49
  • Kosmický segment  GNSS se liší počtem družic a parametry oběžných drah  soustava 24 družic  systematické rozmístění  3 oběžných drah  na každé 6 družic  kruhové dráhy  sklon 64,8 stupňů k rovníku  19 100 km  oběžná dráha 11 hodin 15 minut 50
  • Kosmický segment, 2006 51
  • Kosmický segment, 2008 http://www.glonass-ianc.rsa.ru/pls/htmldb/f?p=202:20:18285471414431764960::NO::: 52
  • Kosmický segment http://img477.imageshack.us/img477/6742/glonass7qd.jpg 53
  • Řídící segment  pozemní řídící komplex  kompletně situován na území bývalého SSSR  Moskva – hlavní řídící centrum  Ternopol, St. Peterburg, Jenisejsk, Komsomolsk, Balkaš  laserové měření vzdáleností  nevýhoda – 16 hod mimo dosah 54
  • Pokrytí - dostupnosthttp://www.glonass-ianc.rsa.ru/pls/htmldb/f?p=201:25:12748933938642558644 55
  • GPS/GLONASS 56
  • Galileo leden 1999: Evropská komise doporučila, aby EU vybudovala vlastní globální navigační systém Galileo do jeho charakteristik patří, že má být plně kompatibilní se systémy GLONASS a GPS, zároveň však i na obou nezávislý Obr. 39. Družice GIOVE-A. (zdroj: http://www.esa.int/) 57
  • Galileo  Jeho služby budou poskytovány na třech úrovních:  služba s otevřeným přístupem (angl. Open Access Service, OAS) bude umožňovat určení polohy, rychlosti pohybu a času a bude poskytována uživatelům zdarma. Přesnost určení horizontální polohy bude 6 metrů.  služba s kontrolovaným přístupem číslo jedna (angl. Controlled Access Service number 1, CAS 1) bude určena pro komerční a profesionální aplikace, pro které bude poskytovat vylepšení některých služeb ve srovnání s OAS. Služba CAS 1 bude poskytována za úplatu.  služba s kontrolovaným přístupem číslo dvě (angl. Controlled Access Service number 2, CAS 2) bude zahrnovat strategické aplikace (angl. Governmental Access Service, GAS) a aplikace pro bezpečnost lidí (angl. Safety of Life Access Service, SAS). 58
  • Compass Beidou COMPASS system – též Beidou-2 Čína, vývoj nezávislého satelitního navigačního systému Beidou-1: 4 satelity, experiment cíl: 35 satelitů 2 úrovně použití: civilní (zdarma) služba, armádní čínská služba free service will have a 10 meter location-tracking accuracy, will synchronize clocks with an accuracy of 50 ns, and measure speeds within 0.2 m/s. 2007: 2 satelity 59
  • Pojmy60
  • pojmy Almanach – informace o přibližné pozici, charakteristikách drah, technickém stavu a číslech všech družic GPS. Je obsažen v signálu každé družice, přístroje GPS jej stahují ihned po jejich spuštění, ukládají do své paměti a používají k rychlejšímu nalezení spojení s dalšími družicemi GPS a přesnému výpočtu polohy přístroje. Efemeridy – konkrétní a přesné informace o technickém stavu, charakteru oběžné dráhy a poloze vysílané každou z družic a přijímané přístrojem GPS. 61
  • pojmy POI (Points of Interest) – body zájmu – bodová databáze nahrazující mapu u nemapových přístrojů GPS (obr. 43). Routing – česky též trasování – funkce pro nalezení optimální trasy mezi startem a cílem dle dalších zadaných kritérií (zákaz použití placených silnic, polních cest, stanovení povinných zastávek na cestě apod.); obvykle se rozeznává trasa nejrychlejší a nejkratší. 62
  • pojmy Tracklog – záznam prošlé trasy, cesty WAAS (Wide Area Augmentation System) – systém zpřesnění určení polohy a nadmořské výšky pomocí opravného signálu šířeného nad vybranými částmi povrchu Země geostacionárními družicemi a sítí pozemních stanic Waypoint (trasový bod) – bod o přesných souřadnicích, příp. s dalšími údaji (název, typ, nadmořská výška, poznámka 63
  • Aplikace 64
  • Aplikace geomorfologický průzkum/výzkum doprava krizový management geodézie, mapování, GIS rekerační a sportovní aktivity 65
  • K samostudiu Rapant, P. 2005. Geoinformační technologie. Vysokoškolská skripta. VŠB - TU, Ostrava. 66 Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
  • děkuji za pozornost jiri.smida@tul.cz67 Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci