Upload
others
View
19
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
22.9.2014
1
Modernizacija sistemov GNSS
asist. mag. Oskar SterleUniverza v Ljubljani, FGG
Vsebina predstavitve
• Uvod• Pregled sistemov in njihove lastnosti• Opazovanja pridobljena s satelitov• Združevanje sistemov GNSS• Modernizacija sistemov GNSS
– GPS– GLONASS
• Posledica modernizacije za uporabnika
Uvod
• GNSS – ključna komponenta današnjih globalnih informacijskih infrastruktur
• GNSS v široki uporabi pri aplikacija prostorskih podatkov:– Geodetske naloge (skoraj vse vrste)
– Navigacija:• Lokalno, regionalno, globalno• Avtomobili, letala, plovila …
– Uporaba v prostorskem planiranju, kmetijstvu, gozdarstvu, gradbeništvu, geologiji…
– Naloge reševanja življenj (gasilci, reševalci…)
22.9.2014
2
SATELITSKI SISTEMI DOLOČANJA POLOŽAJA
• Številni sistemi v uporabi in izgradnji• Globalni sistemi:
– NAVSTAR GPS (ZDA)– GLONASS (Rusija)– Compas / Beidou (Kitajska)– Galileo
• Regionalni sistemi – podpora globalnim sistemom na regionalni ravni
NAVSTAR GPS
• Vlada ZDA, 1973 (nadgradnja starejših sistemov)• Sistem uporaben od leta 1985• Široka uporaba v geodetski praksi od 1989• Popolno operativen: 1994 (24 aktivnih satelitov -
zagotovljeni vsaj 4 sateliti)• Lastni referenčni sistem:
– WGS84 in GPS čas• Kontrolni segment: 5 postaj (1 glavna postaja v
Coloradu)
NAVSTAR GPS
Lastnosti:– 24 satelitov razporejenih na 6 ravnin (nominalno)– 6 ravnin (A-F), vsaj 4 sateliti na ravnini (trenutno 32)– Ravnine nagnjene za 55°glede na ekvatorialno
ravnino– Srednja višina 20 200 km, e=0.1, obhodni čas ~11h
58min– Dve nosilni valovanji:
• L1 = fL1 = 1575,42 MHz (CDMA) - C1, P1
• L2 = fL2 =1227,60 MHz (CDMA) - P2
• Trenutno stanje sistema: ftp://tycho.usno.navy.mil/pub/gps/gpstd.txt
22.9.2014
3
• Vlada Rusije, 1982• Popolno operativen: 1995 (24 aktivnih satelitov)• Ekonomsko stanje Rusije (90. leta): “sesutje” sistema
(leta 2001 samo 6 delujočih satelitov)• 2000: Vladimir Putin določi GLONASS kot prioriteto
razvoja• 2010: 100% pokritost Rusije• 2011:100% pokritost cele Zemlje – delujočih 24
satelitov doseženo
GLONASS
LASTNOSTI:– 24 satelitov razporejenih na 3 ravnine– 3 ravnine (1-3), 8 satelitov na ravnini (trenutno
31)– Ravnine nagnjene za 65°glede na ekvatorialno
ravnino– Srednja višina 19 140 km, e=0.01, obhodni čas
~11h 14min– Dve osnovni nosilni valovanji:
• L1 = fL1 = 1602 MHz (FDMA) - C1, P1
• L2 = fL2 = 1246 MHz (FDMA) - P2
• Trenutno stanje sistema: http://www.glonass-center.ru/en/GLONASS/
GLONASS
• Razlikovanje satelitov – različne frekvence in ista koda
• fL1 = 1602 + k 0,5625 MHz• fL2 = 1246 + k 0,4375 MHz
• k – frekvenčni kanal (številka) (angl. frequencynumber / channel)
GLONASS
| Plane 1/ slot | 01 | 02 | 03 | 04 | 05 | 06 | 07 | 08 |
| Channel | 01 | -4 | 05 | 06 | 01 | -4 | -- | 06 |
|---------------|----|----|----|----|----|----|----|----|
| Plane 2/ slot | 09 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| Channel | -2 | -7 | 00 | -1 | -2 | -7 | 00 | -1 |
|---------------|----|----|----|----|----|----|----|----|
| Plane 3/ slot | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 |
| Channel | 04 | -3 | 03 | 02 | 04 | -3 | 03 | 02 |
22.9.2014
4
GLONASSPRN K FL1 FL2 LAM1 LAM2
01 1 1602.5625 1246.4375 0.1871 0.2405
02 -4 1599.7500 1244.2500 0.1874 0.2409
03 5 1604.8125 1248.1875 0.1868 0.2402
04 6 1605.3750 1248.6250 0.1867 0.2401
05 1 1602.5625 1246.4375 0.1871 0.2405
06 -4 1599.7500 1244.2500 0.1874 0.2409
07 5 1604.8125 1248.1875 0.1868 0.2402
08 6 1605.3750 1248.6250 0.1867 0.2401
09 -2 1600.8750 1245.1250 0.1873 0.2408
10 -7 1598.0625 1242.9375 0.1876 0.2412
11 0 1602.0000 1246.0000 0.1871 0.2406
12 -1 1601.4375 1245.5625 0.1872 0.2407
13 -2 1600.8750 1245.1250 0.1873 0.2408
14 -7 1598.0625 1242.9375 0.1876 0.2412
15 0 1602.0000 1246.0000 0.1871 0.2406
16 -1 1601.4375 1245.5625 0.1872 0.2407
17 4 1604.2500 1247.7500 0.1869 0.2403
18 -3 1600.3125 1244.6875 0.1873 0.2409
19 3 1603.6875 1247.3125 0.1869 0.2404
20 2 1603.1250 1246.8750 0.1870 0.2404
21 4 1604.2500 1247.7500 0.1869 0.2403
22 -3 1600.3125 1244.6875 0.1873 0.2409
23 3 1603.6875 1247.3125 0.1869 0.2404
24 2 1603.1250 1246.8750 0.1870 0.2404
GALILEO
• Začetek snovanja konec 1990• EU, ESA, 1999 (prvi koraki 2003)• Cilj: 5. satelit 2014, 18 satelitov do 2015, skupaj vsega
30 satelitov (leto 2020?)• Končna odločitev o izgradnji marca 2002 (najbolj
sofisticiran GNSS)• Prva eksperimentalna satelita: GIOVE-A (2005), GIOVE-
B (2008), • Strukturirana uporaba (5 storitev):
– Open Service (OS) brezplačen– Commercial Service (CS)– Public Regulated Service (PRS) in– Safety of Life Service (SoL)– Search And Rescue Service (SAR)
• Trenutno 4 delujoči sateliti
GALILEO
• Koordinatni sistem ITRS• UTC čas• Lastnosti:
– Sistem bo sestavljalo 30 satelitov (27 operativnih, 3 rezervni)– Sateliti bodo v 3 ravninah, nagnjenih za 56 stopinj glede na
ekvator– Višina satelitov 23 222 km, skoraj krožna tirnica– Obhodni čas 14h 07min– Tri nosilna valovanja (10 signalov):
• E1, fE1 = 1575,42 MHz (CDMA)• E5b, fE5b = 1207,14 MHz (CDMA)• E5a, fE5a = 1176,45 MHz (CDMA)
• Trenutno stanje sistema:http://www.gsa.europa.eu/galileo-0#
22.9.2014
5
Compass / Beidou
• Vlada LR Kitajske• Beidou-1: 2000 (4 sateliti)• Beidou-2 oz. Compass: 2007 (16 satelitov)• Skupno: 35 satelitov (5 geostacionarnih)• Lastnosti:
– Višina satelitov 21 500km (skoraj krožne orbite)
– Obhodni čas 12h 35min– Štiri nosilna valovanja: E1, E2, E5B, E6
REGIONALNI SATELITSKI NAVIGACIJSKI SISTEMI
� Regionalni satelitski sistemi:� IRNSS: Indija (Indian Regional Navigational SS)
� Začetek: 2006� Cilj: 3 geostacionarnih + 4 geosinhornih satelitov
� QZSS: Japonska (Quasi-Zenith Satellite System)
� 2010: Izstreljen 1. satelit� Popolna operativnost: 2013 (3 sateliti)� Naloga: dopolnitev GPS
� DORIS: Francija (Doppler Orbitography and Radio-positioningintegrated by Satellite instrument)
� Originalno za 6 satelitov opremljenih s sistemom DORIS
� Namen: določiti natančen položaj satelitov in sprejemnikov
� Postopek: Dopplerjev efekt
QZSS:
22.9.2014
7
OPAZOVANJA GNSS:V splošnem poznamo dve različni vrsti opazovanj GNSS:• Kodna opazovanja:
– Oznaka: kodna psevdoopazovanja (Enote: meter) (C1, P1, P2)– Kaj predstavlja: geometrična razdalja satelit-sprejemnik +
pogreški– Zakaj psevdo: pogrešek ure sprejemnika– Natančnost: 0,1% - 1% valovne dolžine kode ~ 0,1m – 3m– Niso uporabna za geodetsko natančnost
• Fazna opazovanja:– Kaj predstavlja: razlika v valovanju signala s satelita in signala
generiranega v sprejemniku (enote: obrati/cikli) (L1, L2)– Praktično: fazna psevdorazdalja– Natančnost: 0,1% - 1% valovne dolžine kode ~ 0,2mm – 2.0mm– Edina uporabna za geodetsko natančnost– Problem: neznano število celih valov
Ostala opazovanja:– Dopplerjeva opazovanja (D1,D2)– Razmerje signala in šuma (S1,S2)
VPLIVI NA OPAZOVANJA GNSS (Pogreški):
Fazna in kodna opazovanja so obremenjena z sistematičnimi vplivi:• Izvor na satelitu:
– Pogrešek položaja satelita in teka ure satelita (~10m nivo)– relativnost (~30m)– Fazna opazovanja: preskok faze („Phase wind-up“) (dm nivo)– Fazni center antene satelita (par metrov)– Zamik med kodami na nosilnih valovanjih (metrski nivo)
• Izvor v atmosferi:– Ionosfera (5 – 150 m v zenitu)– Troposfera (2,5 m v zenitu, do 25 m )
• Izvor na točki, kjer je postavljen sprejemnik:– Pogrešek ure sprejemnika– Fazni center antene sprejemnika (dm nivo)– Plimovanje čvrste Zemlje (do 30 cm po višini)– Vpliv plimovanja oceanov (cm nivo)– Gibanje polov (mm – cm nivo)– “hardware delay” – GLONASS (do 1,5m)– Odboj signala (multipath) – koda (par m), faza (do 6cm)
VPLIV NA KOORDINATE:
22.9.2014
8
ZDRUŽEVANJE SISTEMOV GNSS
S kombinirano uporabo signalov GNSS je položaj in točen čas na ravni
kakovosti, ki je boljša kakor samo na osnovi enega od GNSS
Prednosti:
•Večje število opazovanj: ~ 100
satelitov
Posledica
•Večja zanesljivost (mesta, gore …)
•Boljše geometrijske lastnosti (DOP
faktorji)
•Hitrejša in zanesljivejša inicializacija
(RTK)
•Tudi 95% dostopnost signala
ZDRUŽEVANJE SISTEMOV GNSS
Problemi:
•Vsak sistem uporablja svoj čas: nova neznanka v modelu
•Vsak sistem deluje v okviru svojega referenčnega sistema:
transformacije med vsemi tremi sistemi (WGS84, PZ90 in
ITRF) niso povsem znani
•Različne frekvence pri satelitih GLONASS: različne linearne
kombinacije pri vsakem satelitu (NŠCV)
•T.i. “hardware biases” – različne frekvence lahko povzročijo
različne sistematične vplive v strojni opremi sprejemnika
MODERNIZACIJA SISTEMOV GNSS
Modernizacija sistemov je različna za različne sisteme:
•GPS: deležen največjega nivoja modernizacije
•GLONASS: mlajši sistem, manjše spremembe pri
modernizaciji
•Galileo: zasnovan tako, da bo skladen z
moderniziranima sistemoma GPS in GLONASS
22.9.2014
9
MODERNIZACIJA GPS
•Modernizacija poteka neprestano:
–Daljša doba satelitov, močnejši signali, boljše storitve kontrolnega s.
•Prvi viden korak: odprava SA motnje leta 2000
MODERNIZACIJA GPS
Splošno:
• Potreba po modernizaciji: 1995 – vse večja uporaba GPS
v civilni sferi
• Cilji modernizacije:
• Novo nosilno valovanje (L5)
• Novi signali na nosilnih valovanjih (L2C, L1C)
• GPSIII
• Modernizacija kontrolnega segmenta
• Vse večji poudarek na dvo-, tro-frekvenčni uporabi GPS v
civilni sferi
• Izboljšava jakosti in zanesljivosti signala
MODERNIZACIJA GPS: L2C SIGNAL
Namen:
•Oddaja prosto dostopne civilne kode (CA) na valovanju L2
Izboljšave:
• Močnejši signal kot na L1 (~3dB) – večja zanesljivost sledenja signala
• Sledenje signalu v primeru izpada L1 signala
• Daljše kode – kakovostnejša stopnja korelacije in sledenje signala
• Dvofrekvenčnost: možnost odprave vpliva ionosfere 2. reda tudi v
realnem času za navigacijsko rešitev
• Vsi sateliti vrste Block IIR-M in kasnejši imajo L2C signal (od leta
2005)
22.9.2014
10
MODERNIZACIJA GPS: L5 NOSILNO VALOVANJE
Namen:
Uvedba dodatnega valovanja t.i. “Safety of life”, predvsem za
potrebe aeronavigacije
Izboljšave:
•Dodatna opazovanja na dodatni frekvenci
•Prosto dostopna kodna opazovanja – kakovostnejša in
zanesljivejša od kodnih opazovanj na L1
•Sateliti vrste Block IIF (od 2010)
MODERNIZACIJA GPS: L1C SIGNAL
Namen:
•Zamenjava/modernizacija kode CA na L1 nosilnem valovanju
Izboljšave:
• Močnejši signal na L1 (~3dB) – večja zanesljivost sledenja signala
• Kompatibilna koda s staro CA kodo, interoperabilna z Galileo in QZZS
kodo
• Daljše kode – kakovostnejša stopnja korelacije in sledenje signala
• Planirano za leto 2013, načrtovano končanje leta 2020
MODERNIZACIJA GPS: GPSIII
Namen:
•Fizična izvedba: močnejši signali in nosilna valovanja
•Značilno izboljšanje natančnosti,točnosti, zanesljivosti …
sistema GPS
•Možnost popolne delitve civilne in vojaške uporabe sistema
•Izboljšava na način, da je sistem kompatibilen s starejšimi
sprejemniki
•Zmanjšanje stroškov upravljanja sistema
•Cilj za naslednjih 30 let
22.9.2014
11
MODERNIZACIJA GPS: GPSIII
•GPS III sestavlja 32 satelitov v treh blokih:
–Blok A: •Povečana natančnost
•Večanje pokritosti Zemlje (jakost signala)
•Dodatni signalL1C
–Blok B:•Komuniciranje s sateliti v realnem času
–Blok C:•Izboljana jakost signala za uporabo v vojaške namene
•Večja odpornost na motenje signala (angl. jamming)
MODERNIZACIJA GPS: KONTROLNI SEGMENT
Cilji modernizacije kontrolnega segmenta:
•Povečanje števila kontrolnih postaj po svetu iz 6 na 16
•Izboljšava učinkovitosti glavne postaje (master station)
Posledica za uporabnika:
•Učinkovitejše in kakovostnejše upravljanje sistema (večja
dostopnost)
•Kakovostnejše in zanesljivejše določevanje položaja v
realnem času (s satelita oddane efemeride in ure
sprejemnikov)
22.9.2014
12
MODERNIZACIJA GLONASS
Splošno:
• Pri GLONASS podobna modernizacija kot pri GPS
• Poudarek: uvedba novega valovanja L3 na novih GLONASS-K
satelitih
• Prva izstrelitev GLONASS-K: marec 2011 (še v fazi testiranja)
• Planirana vsakoletna izstrelitev satelita GLONASS-K, do
končnega leta 2014
• Novi sateliti GLONASS-K2: tudi kodno razlikovanje satelitov
(CDMA) (od 2014 naprej)
• Izvedba modernizacije tudi na kontrolnem segmentu –
kakovostnejše efemeride in tek ur satelitov
POSLEDICA MODERNIZACIJE ZA UPORABNIKE
Neposredne posledice:
• Uvedba novih civilno dostopnih kod na L1 in L2:
• Večja moč signala – boljše sledenje signalu
• Večje število opazovanj
• Manj izpadov signala, večja pokritost
• Dvofrekvenčna uporaba v navigacijske namene – odprava vpliva ionosfere
(največjega pogreška v opazovanjih)
• Uvedba novega civilno dostopnega nosilnega valovanja L5/L3:
• Vse zgoraj naštete
• Odprava vpliva ionosfere do vključno 2. reda
• Trifrekvenčna rešitev – zanesljivejša rešitev NŠCV
• Izboljšava kontrolnega segmenta:
• Robustnejši sistemi
• Višja natančnost in točnost efemerid
POSLEDICA MODERNIZACIJE ZA UPORABNIKE
• Sistemi GNSS bodo:
• Bolj dostopni – več sistemov, več opazovanj, boljša pokritost
• Bolj robustni, zanesljivi, natančni, točni …
• Povečanje izrabe sistemov za potrebe nevarnost, reševanja, obveščanja
…
• Uporaba bo hitrejša (hitrejša inicializacija) tudi tam, kjer prej ni bila možna
(urbana območja, gozdovi, kanjoni …)
• Možnost integracije različnih sistemov za določitev položaja
Modernizacija in združevanje sistemov GNSS predstavlja nove
mejnike v geodeziji – tehnologija odpira nove meje teoretične
obravnave in izrabe sistemov GNSS