GPS BUDOWA I ZASTOSOWANIE SYSTEMU NAWIGACJI - Mikołaj KSIĘŻAK - PRz.pdf - Inżynieria Lotnicza - pilot1216

POLITECHNIKA RZESZOWSKA

Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa

im. Ignacego Łukasiewicza

Katedra Awioniki i Sterowania

GPS

BUDOWA I ZASTOSOWANIE SYSTEMU NAWIGACJI

SATELITARNEJ

Mikołaj KSIĘŻAK

Seminarium Dyplomowe 2001/2002

LOTNICTWO - PILOTAŻ

Streszczenie

System nawigacji satelitarnej (GPS) jest ogólnoświatowym systemem radiowo – nawigacyjnym,

utworzonym z konstelacji 24 satelitów, naziemnych stacji kontroli oraz odbiorników. GPS wykorzystuje satelity

jako punkty odniesienia aby wyliczyć pozycję (w przestrzeni) z dokładnością do metrów. Ponadto, w niektórych

zaawansowanych systemach nawigacyjnych, uzyskiwana dokładność sięga milimetrów! Stacje naziemne (zwane

również „Segmentem kontroli”), prowadzą ciągły nadzór nad satelitami sprawdzając ich stan techniczny oraz

aktualną pozycję w przestrzeni. Centralna stacja kontroli (w Colorado Springs) oblicza i przesyła do satelitów

poprawki trajektorii i czasu. Jedynymi nadajnikami w tym systemie są satelity i stacje nadzoru. Odbiorniki GPS

są bierne, a ich konstrukcja została zminimalizowana do kilku niezbędnych obwodów dzięki czemu stały się

niedrogie w produkcji, a co za tym idzie dostępne praktycznie dla każdego. W dzisiejszych czasach, odbiorniki

GPS, znajdują zastosowanie w samochodach, łodziach, samolotach, urządzeniach geodezyjnych i budowlanych

czy nawet zegarkach.

1. Wstęp

Globalny System Pozycyjny GPS (Global Positioning System), zwany również globalnym systemem

lokalizacyjnym, jest spełnieniem odwiecznych marzeń nawigatorów o możliwości określenia pozycji,

niezależnie od tego gdzie i kiedy (dostępność przez 24 godziny na dobę) się znajdujemy oraz jakie warunki

atmosferyczne panują w danym miejscu. System GPS jest układem biernym, co znaczy, że liczba użytkowników

tego systemu jest praktycznie nieograniczona, ponieważ sygnał nadawany jest wyłącznie przez satelity a

użytkownik posiada jedynie urządzenie odbiorcze. Rozwiązanie to jest bardzo wygodne, ponieważ minimalizuje

skomplikowanie budowy odbiornika, a zarazem jego koszt.

2. Historia systemu

W 1957 naukowcy z Uniwersytetu w Baltimore (USA), wykorzystując sygnały radiowe nadawane przez

radzieckiego satelitę Sputnik I, zauważyli możliwość wykorzystania sztucznych satelitów Ziemi do nawigacji.

Rozpoczęto szczegółowe badania i już na przełomie lat pięćdziesiątych i sześćdziesiątych powstał pierwszy

skuteczny system nawigacji satelitarnej Transit – SATNAV. W roku 1964 została ogłoszona jego zdolność

operacyjna, a w 1967 udostępniono system do celów cywilnych (opracowano go dla potrzeb marynarki wojennej

USA). Ze względu na małą ilość satelitów (6), odbiór sygnałów nie był zapewniony na całej Ziemi. W tym

samym czasie powstał radziecki odpowiednik systemu Transit – system Cykada. Nieustannie prowadzono

badania nad udoskonaleniem zarówno nadajników jak i odbiorników oraz wyznaczeniu odpowiednich orbit i

trajektorii satelitów. Aż w roku 1973 rozpoczęto prace nad systemem, który służy nam do dziś – GPS

NAVSTAR. Wysiłki konstruktorów skoncentrowały się na następujących założeniach:

• działanie całodobowe

• dostęp w każdym miejscu na Ziemi

• zachowanie parametrów bez względu na warunki atmosferyczne

M. Księżak

Budowa i zastosowanie systemu nawigacji satelitarnej

MK - 1

• odporność na celowe zakłócenia i zniekształcenia

• zakładana dokładność określania: pozycji 10 m, prędkości 0,1 m/s, czasu t<1 µs

• bierny odbiornik, nie emitujący żadnych sygnałów

• niskie koszty korzystania z systemu

W dniu 6.01.1980 uruchomiono system GPS – NAVSTAR, a 27.04.1995 osiągnął on pełną zdolność

operacyjną. [2,3]

3. Elementy Globalnego Systemu Pozycjonowania GPS - Navstar

3.1. Segment kosmiczny

Segment kosmiczny składa się z konstelacji 24 aktywnych satelitów, okrążających Ziemię w ciągu 12

godzin. Na każdej z sześciu orbit konstelacji znajdują się cztery satelity na wysokości ponad 20 000 km nad

powierzchnią Ziemi. Orbity są rozmieszczone wokół całej Ziemi i nachylone do powierzchni równika pod kątem

55°. [2,3]

Rys. 1. Rozmieszczenie satelitów: a) położenie przestrzenne, b) rozwinięcie na powierzchnię [3]

Arrangement of satellites: spatial orientation

surface development

3.2. Segment kontroli

Na segment kontroli składa się 5 stacji nadzoru, rozmieszczonych możliwie równomiernie wokół Ziemi

w pasie równikowym (rys.2). Pozwala to na śledzenie satelitów w całym zakresie szerokości geograficznych, w

których satelity mogą się znajdować w zenicie. Zadaniem stacji nadzoru jest:

prowadzenie ciągłego nasłuchu sygnałów z satelitów,

sprawdzanie poprawności działania satelitów,

śledzenie i sprawdzanie orbit satelitów,

zbieranie danych do poprawek jonosferycznych i pomiaru czasu,

przesyłanie informacji do stacji centralnej (MCS),

przekazywanie informacji do satelitów,

Ponadto stacja centralna (MCS) w Colorado Springs spełnia dodatkowe funkcje, tj.:

obliczanie parametrów orbit satelitów (efemeryd),

wyznaczanie poprawek zegarów satelitów,

podejmowanie decyzji o korektach orbit,

przekazywanie do satelitów danych efemeryd i poprawek zegara w celu ich retransmisji w

depeszy nawigacyjnejsatelitów. [3]

M. Księżak

Budowa i zastosowanie systemu nawigacji satelitarnej

MK - 2

Rys. 2. Rozmieszczenie stacji nadzoru. [3]

Arrangement of monitor stations.

3.3. Segment użytkownika.

Na ten segment składają się najróżniejsze odbiorniki GPS, zarówno wojskowe jak i cywilne. Mogą być to

pojedyncze urządzenia lub złożone systemy nawigacyjne (np. GNS). Odbiorniki mogą mieć różny kształt, inną

dokładność oraz oprogramowanie dostosowane do potrzeb, ale w każdym przypadku ich budowa oparta jest na

jednym schemacie (rys. 3). Dodatkowo wszystkie odbiorniki wyposażone są w antenę o charakterystyce

umożliwiającej odbiór sygnałów z całego obszary sfery niebieskiej. [2,3]

Rys. 3. Podstawowe bloki funkcjonalne odbiornika GPS. [3]

General elements of GPS receiver.

4. Zastosowanie praktyczne systemu GPS

4.1. Zasada działania systemu GPS.

Każdy satelita transmituje dwa rodzaje sygnałów: L1 (1575.42 MHz) i L2 (1227.60 MHz). Sygnał L1

jest przetwarzany dwoma pseudo-przypadkowymi sygnałami zagłuszającymi: chronionym kodem P i kodem

C/A. Sygnał L2 zawiera jedynie kod P. Każdy satelita wysyła inny sygnał, co ułatwia odbiornikom rozpoznanie,

z którego satelity pochodzi dany sygnał. Cywilne odbiorniki do nawigacji wykorzystują jedynie kod C/A na

M. Księżak

Budowa i zastosowanie systemu nawigacji satelitarnej

MK - 3

częstotliwości L1. Niemniej jednak niektóre wyspecjalizowane cywilne odbiorniki geodezyjne mogą

przetwarzać sygnał o częstotliwości L2 w celu uzyskania dokładnych pomiarów. Odbiornik na podstawie czasu

wysłania sygnału przez satelitę i czasu dotarcia sygnału do odbiornika oblicza czas potrzebny na pokonanie tej

drogi. Jeśli odbiornik posiada bardzo dokładny zegar, dobrze zsynchronizowany z zegarem satelity, do

określenia trójwymiarowej pozycji wystarczają jedynie pomiary z trzech satelitów. Niestety, zwykłe odbiorniki

nawigacyjne ze względu na swoją cenę jak i rozmiary nie są wyposażone w tak dokładne zegary, w związku z

tym, do usunięcia błędu zegara potrzebny jest dodatkowy pomiar z czwartego satelity. Pomiar z jednego satelity

określa pozycję na powierzchni sfery, której środkiem jest miejsce położenia danego satelity. W związku z

błędem zegara cztery sfery satelitów wykorzystywanych do pomiaru mogą nie przecinać się w jednym punkcie.

Odbiornik dostosowuje odczyty czasu z poszczególnych zegarów i w ten sposób podaje dokładną informację o

czasie i pozycji. W związku z tym, że odbiornik synchronizuje swój zegar z czasem GPS, może być

wykorzystywany jako dokładne narzędzie podawania czasu. [2,3,4]

4.2. Dokładność wskazywania pozycji.

Standardowy serwis pozycjonowania dostępny dla użytkowników cywilnych zapewnia dokładność

poziomą rzędu 20 m przez 95% czasu. Do 1 maja 2000 roku dokładność ta była mniejsza (ok. 100 m) ze

względu na celowe zagłuszanie sygnału (przez Departament Obrony USA) zwane ograniczonym dostępem (tzw.

SA). Dokładność pionowa jest około 1.5 razy mniejsza niż dokładność pozioma. Firma Trimble Navigation w

broszurze pt. „GPS - A guide to the next utility" podaje następujące oszacowanie błędów dla komercyjnych

odbiorników nawigacyjnych: błąd zegara satelity - 0,6 m błąd efemerydy - 0,6 m błędy odbiornika - 1,2 m błędy

spowodowane wpływem atmosfery/ jonosfery - 3,6 m SA - 7,5 m. Przewidywaną dokładność oblicza się poprzez

pomnożenie powyższych wartości przez wskaźnik PDOP (rozmycie dokładności pozycji), który zazwyczaj

wynosi od 4 do 6. Daje to dokładność rzędu 30 m. Dokładność oferowaną przez system można poprawić poprzez

uśrednienie pomiarów wykonanych w danym przeciągu czasu. [3,4]

Wspomniana powyżej 30 metrowa dokładność dotyczy jednoczęstotliwościowych odbiorników

nawigacyjnych, które aktualizują swoją pozycję co sekundę. Bardzo dokładne pomiary przeprowadza się przy

użyciu innych odbiorników określanych mianem „systemów kartograficznych/geodezyjnych". Systemy te

używają obydwu częstotliwości oraz skorygowanych danych, uzyskanych poprzez porównanie pomiarów z

odbiornika ruchomego i pomiarów z odbiornika stacjonarnego o znanej lokalizacji. Mogą one również

dokonywać uśredniania pozycji co pewien okres czasu. Uśrednianie to pozwala raczej określić bardzo dokładnie

różnice w pomiarze pozycji pomiędzy odbiornikiem ruchomym i stacjonarnym, niż absolutną pozycję obydwu

odbiorników. [2,3,4]

4.3. Ograniczenie dostępu (SA).

SA (Selective Availibility) było to celowe zmniejszanie dokładności systemu GPS w celu

zapobiegnięcia wykorzystaniu go przez wrogie armie w celach taktycznych. Stany Zjednoczone zdecydowały

wyłączyć SA od 1 maja 2000 roku. Wcześniej jednak zdarzało się, że chwilowo rezygnowano z jego stosowania

np. podczas wojny w Zatoce Perskiej i podczas inwazji na Haiti, ponieważ wówczas armia nie posiadała

dostatecznej liczby odbiorników wojskowych i korzystano również z odbiorników cywilnych. Odbiorniki

wojskowe mogą korzystać z odszyfrowanego kodu P i uzyskiwać dokładność około 20 m. [2]

4.4. Ograniczenia użytkowania systemu w stosunku do wartości prędkości i wysokości.

System nie posiada żadnych ograniczeń prędkości i wysokości, ale zgodnie z wymogami Stanów

Zjednoczonych komercyjne odbiorniki mogą poprawnie pracować jedynie poniżej prędkości 1665 km/h i

poniżej wysokości 18 km. Istnieje możliwość uzyskania zezwolenia na przekroczenie tych limitów w przypadku

szczególnych zastosowań systemu, takich jak np. rakiety badawcze. Firma Garmin ograniczała dawniej

możliwości użytkowania swoich modeli nie przeznaczonych dla lotnictwa (np. 40 i 45) do pracy poniżej

prędkości 166,5 km/h. Gdy ta prędkość została przekroczona, odbiornik wyświetlał informację o błędzie i

przestawał aktualizować pozycję. Takie ograniczenie wynikało również ze względów marketingowych,

ponieważ lotnicy zmuszeni byli kupować droższe, przeznaczone dla lotnictwa modele odbiorników, które

zawierają lotniczą bazę danych. Garmin zaprzestał stosowania tej praktyki z chwilą wypuszczenia na rynek

swoich 12 kanałowych odbiorników (GPS 12/12XL/II+/III). [2,3,4]

4.5. Różnicowy system GPS (DGPS).

Różnicowy GPS (DGPS) to sposób korygowania niektórych błędów systemu GPS przy wykorzystaniu

błędów zaobserwowanych w miejscu o znanej lokalizacji, które następnie są używane do skorygowania

odczytów pozycji ruchomego odbiornika. Podstawą korekcji jest to, że stacja referencyjna „zna" swoją pozycję i

w ten sposób określa różnicę pomiędzy znaną pozycją i pozycją określoną przez odbiornik GPS. Uzyskany

pomiar błędu jest następnie przesyłany do ruchomego odbiornika, który może poprawić obliczone przez siebie

pozycje. Niestety wielkość błędów zależy od tego, które satelity zostały wykorzystane do pomiaru pozycji,

M. Księżak

Budowa i zastosowanie systemu nawigacji satelitarnej

MK - 4

dlatego też stacja referencyjna nie może po prostu „zalecić" przesunięcie wszystkich pozycji np. o 100 m na

południe. Różnicowa stacja referencyjna oblicza błędy w pomiarze pseudo-odległości oddzielnie dla każdego

satelity, będącego w jej polu widzenia i nadaje informację o błędach oraz informację o statusie systemu.

Różnicowy odbiornik radiowy odbiera i dekoduje tą informację a następnie wysyła ja do różnicowego

odbiornika GPS. Odbiornik GPS łączy odebraną informacje z indywidualnymi pomiarami pseudo-odległości

zanim obliczy swoją pozycję. Dla zastosowań morskich, amerykańska i kanadyjska straż wybrzeża (oraz

podobne agencje w innych państwach) zainstalowały stacje DGPS, które nadają dane korekcji różnicowej przez

morskie odbiorniki radiowe na częstotliwości 250-350 kHz. Ten serwis morski jest dostępny bezpłatnie w

Stanach Zjednoczonych i w Kanadzie, natomiast w innych krajach może być wymagana subskrypcja. DGPS

eliminuje błędy wprowadzane dawniej przez ograniczony dostęp (SA) oraz błędy spowodowane przez

opóźnienie sygnału w jonosferze. Dzięki temu błąd obliczonej pozycji wynosi około 10 m przez 95% czasu dla

typowych systemów morskich DGPS, używających niedrogich odbiorników nawigacyjnych GPS. Lepsze

odbiorniki oferują dokładność rzędu 3 m. Dane korekcyjne DGPS mogą być wykorzystywane w odległości 1500

km od stacji referencyjnej, jeśli są one częścią większej sieci monitorującej. Należy zauważyć, że zalecany

zakres dla radioodbiorników morskich wynosi jedynie 92-370 km, wobec czego na większe odległości musza

być wykorzystywane inne sposoby transmisji danych. Dane korekcji różnicowej są powszechnie transmitowane

przy użyciu standardu RTCM-104. Standard ten definiuje liczbę różnych komunikatów z danymi w formacie

binarnym. Pierwszy komplet komunikatów od 1 do 17 został przewidziany do wykorzystania przez odbiorniki

śledzące kod C/A i otrzymujące dokładność ok. 10 m. Koryguje on błędy spowodowane przez opóźnienie

jonosferyczne, SA oraz inne, jednakże w ramach dokładności oferowanej przez kod C/A. Komunikaty od 18 do

21 zawierają dane korekcyjne fazy GPS używane w pomiarach kartograficznych. [1,3,5]

Rys. 4. Schemat działania różnicowego systemu GPS. [3]

Functioning scheme of differential GPS.

4.6. Systemy pomiarowe GPS i DGPS.

Pomiarowe systemy GPS były jednymi z pierwszych komercyjnych zastosowań systemu GPS.

Dokładność tego typu systemów jest znacznie większa od dokładności popularnych odbiorników

nawigacyjnych, dzięki zastosowaniu post-processingowej korekcji różnicowej, wykorzystującej w tym celu dane

zgromadzone przez stację referencyjną oraz poprzez uśrednianie danej pozycji przez pewien okres czasu śledząc

fazę sygnału oraz innych technik, aby uzyskać zwiększoną dokładność. Tego typu systemy mogą zapewnić

M. Księżak

Budowa i zastosowanie systemu nawigacji satelitarnej

MK - 5

GPS BUDOWA I ZASTOSOWANIE SYSTEMU NAWIGACJI - Mikołaj KSIĘŻAK - PRz.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: