13. Elektronická navigace od lodní přes leteckou po GPS principy, vlastnosti, technické prostředky

Specializovaný kurs U3V Současný stav a výhledy digitálních komunikací

13. Elektronická navigace od lodní přes leteckou po GPS – principy, vlastnosti, technické prostředky 28.4.2016

Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně 541146553,

[email protected]

http://www.urel.feec.vutbr.cz/~sebestaj/U3V/index.htm

U3V - T13: NAVIGACE III. Téma: Družicová navigace GPS – NAVSTAR GLONASS BeiDou - Compass QZSS GALILEO

28.4.2016

U3V - T13: Navigace III.

strana 2

U3V - T13: Družicová navigace (1/16) Satelitní navigační systémy GNSS (Global Navigation Satellite System) náleží do kategorie globálních systémů, jenž umožňují určení polohy libovolného místa na Zemi v jednotném společném souřadném systému. Družice tvoří soustavu majáků s vhodnou konstelací pro optimální pokrytí Země s minimální chybou určení polohových souřadnic navigačním zařízením (přijímačem) v uživatelském segmentu.

28.4.2016


strana 3

U3V - T13: Družicová navigace (2/16) Úhloměrná metoda Ze znalosti aktuální polohy družic (tj. vrcholů kuželu) a příslušných elevačních (polohových) úhlů určíme průsečík kuželů definující polohu měřeného bodu.

28.4.2016


strana 4

U3V - T13: Družicová navigace (3/16) Dopplerovská metoda Družice pohybující se po negeostacionární oběžné dráze vysílá signál se stabilním kmitočtem fv. Signál přenáší časové značky vysílané v okamžicích ti, ti+1, ti+2, … s konstantním časovým rozestupem ∆T = ti+1 - ti. Frekvence signálu přijímaného uživatelem v místě měření polohy je v důsledku Dopplerova jevu rovna hodnotě fRX lišící od fTX.

28.4.2016


strana 5

U3V - T13: Družicová navigace (4/16) Dráha družice vs. pozemní pozorovatel

28.4.2016

Přijímaný signál je postižen dopplerovským posuvem kmitočtu


strana 6

U3V - T13: Družicová navigace (5/16) Dálkoměrná metoda Dálkoměrná metoda je nejčastěji využívaným způsobem měření polohy pomocí družic. Je základem systémů GPS, GLONASS, GALILEO a dalších. Známe-li souřadnice družic (xi, yi, zi) a jsme-li schopni zjistit vzdálenost uživatelova přijímače od jednotlivých družic di, můžeme polohu uživatele (xu, yu, zu) určit řešením soustavy tří rovnic pro tři neznámé (výpočet průsečíku tří kulových ploch se středy xi, yi, zi a poloměry di) :

(x

28.4.2016

− x u ) + ( y i − y u ) + ( zi − z u ) = d i 2

i

2


2

strana 7

U3V - T13: Družicová navigace (6/16) Dálkoměrná metoda - princip

28.4.2016


strana 8

U3V - T13: Družicová navigace (7/16) Souřadnice jednotlivých družic jsou zakódovány ve vysílaném signálu jednotlivých družic, tzv. navigační zprávě. Vzdálenost od družice se zjišťuje pomocí měření doby τdi definující zpoždění na trase satelit - navigační přijímač:

d i = τ di ⋅ c kde c je rychlost šíření elektromagnetické vlny ve vakuu. Dobu τdi však můžeme určit pouze při dokonalé synchronizaci časové základny družice a navigačního přijímače, což nelze dostupnými prostředky zajistit. 28.4.2016


strana 9

U3V - T13: Družicová navigace (8/16) V okamžiku měření časová základna uživatele vůči satelitu vykazuje jistý neznámý posuv ∆t, který můžeme přepočítat na vzdálenost b = c∆t. K neznámým souřadnicím přibývá další neznámá b a pro výpočet polohy ve třírozměrném prostoru je nutno zpracovat signál alespoň ze čtyř majákových družic:

(xi − xu ) + ( yi − yu ) + (zi − zu ) 2

2

2

= di = (τ mi − ∆t ) ⋅ c = Di − b

Je však nutno zajistit vzájemnou synchronizaci jednotlivých satelitů podle společné časové základny systému, tak aby b bylo konstantní hodnotou pro všechny satelity systému. 28.4.2016


strana 10

U3V - T13: Družicová navigace (9/16) Při měření generuje navigační přijímač kopii PNP signálu družice, kterou časově synchronizuje s přijímaným signálem, čímž získává zpoždění τmi vztažené vůči časové základně přijímače.

28.4.2016


strana 11

U3V - T13: Družicová navigace (10/16) Kódy jednotlivých satelitů mohou být vhodně vybranými pseudonáhodnými posloupnostmi, které jsou pomocí zvolené číslicové modulace (např. BPSK) namodulovány na nosnou frekvenci. Při nízkých hodnotách vzájemných korelacích jednotlivých kódů může být použita stejná nosná frekvence pro všechny družice systému, který pak pracuje se signálem s rozprostřeným spektrem s přístupem CDMA.

28.4.2016


strana 12

U3V - T13: Družicová navigace (11/16) Dálkoměrný signál: c (t )D (t )sin (2πf c t ) kde fc, je kmitočet nosné vlny. Pro BPSK modulaci platí: c(t ) ∈ {− 1;+1}

D(t ) ∈{−1;+1}

kde c(t) je pseudonáhodný dálkoměrný kód a D(t) je tzv. navigační zpráva nesoucí informace sloužící k určení polohy družice. Navigační zpráva je podstatně pomalejší něž dálkoměrný kód:

28.4.2016


strana 13

U3V - T13: Družicová navigace (12/16) V GPS přijímači přijímáme rozprostřený signál Není synchronizace s replikou PN kódu – malá korelace, nedostupná navigační data Je synchronizace s replikou PN kódu – velká korelace (kladná nebo záporná), navigační data dostupná 28.4.2016


strana 14

U3V - T13: Družicová navigace (13/16) Dálkoměrné signály jednotlivých družic je třeba od sebe oddělit. Používá se: kmitočtového multiplexu FDMA, kdy každá družice používá jiný kmitočet f nosné vlny a dálkoměrný kód c(t) může být společný kódového multiplexu CDMA, kdy všechny družice sice vysílají na nosné vlně se stejným kmitočtem, ale rozprostírací kód c(t) je pro každou družici jiný 28.4.2016


strana 15

U3V - T13: Družicová navigace (14/16) Obecné schéma družicového navigačního systému

28.4.2016


strana 16

U3V - T13: Družicová navigace (15/16) Hodnoty chyby pro SPS a PPS Zdroj segment Kosmický a řídicí segment

Uživatelský segment

28.4.2016

Příčina chyby

1σ chyba [m] SPS

PPS

Nepřesnost systémových hodin

1,1

1,1

Nepřesnost kepleriánských elementů

0,8

0,8

Skupinové zpoždění L1 P(Y) – L1 C/A

0,3

-

Zbytkové ionosferické zpoždění

7,0

0,1

Zbytkové troposferické zpoždění

0,2

0,2

Šum v přijímači a výpočetní nepřesnost

0,1

0,1

Vícecestné šíření

0,2

0,2

Chyba celkem

7,1

1,4


strana 17

U3V - T13: Družicová navigace (16/16) Pro stanovení chyby určení polohy je rozhodující vzájemná poloha měřených družic a místa příjmu (chyba určení zdánlivé vzdálenosti se projeví na dané geodetické souřadnici různě), tzv. koeficienty DOP (činitel zhoršení přesnosti).

28.4.2016


strana 18

U3V - T13: GPS - NAVSTAR (1/9) GPS NAVSTAR (Global Positioning System - Navigation System Using Time and Range) je v současnosti nejvyužívanějším navigačním systémem. Kosmický segment tvoří 21 aktivních a několik záložních družic SV (Space Vehicle) umístěných po 4 družicích (rozestup 60°) na šesti kruhových oběžných drahách (A-F) ve výšce 20200 km s inklinací 55°. Oběžná doba je půl hvězdného dne, přibližně 11 h 58 m. 28.4.2016


strana 19

U3V - T13: GPS - NAVSTAR (2/9) Dostupnost GPS družic

Radionavigační systémy

strana 20

U3V - T13: GPS - NAVSTAR (3/9) Technologie GPS družic

28.4.2016

Block I – počáteční fáze (do 1995) – životnost cca 5 let Block II (od 1989) – životnost 7,5 roku Block IIA – autonomní verze – 180 dní autonomní režim Block IIR – replenishment (od 1997) Block IIR-M – nové signály Block IIF- přídavná flexibilita Block III (od 2016) – další nav. signály, životnost 15 let


strana 21

U3V - T13: GPS - NAVSTAR (4/9) Technologie GPS družic

Block III – očekávána přesnost určení polohy okolo 1 m pro SPS 28.4.2016


strana 22

U3V - T13: GPS - NAVSTAR (5/9) Řídicí segment – pozemní systémová zařízení

28.4.2016


strana 23

U3V - T13: GPS - NAVSTAR (6/9) Signály GPS (standard)

28.4.2016


strana 24

U3V - T13: GPS - NAVSTAR (7/9) Všechny družice GPS vysílají současně na dvou kmitočtech v pásmu L f1 = 1575,42 MHz a f2 = 1227,6 MHz v kódovém multiplexu CDMA. Kód civilní C/A je tzv. Goldův kód s periodou obsahující 1023 bitů a bitovou rychlostí 1,023 Mb/s. Je určen pro neautorizovaný přístup a je volně dostupný a využitelný v civilním sektoru. Kód přesný P (Precision) s bitovou rychlostí 10,23 Mb/s (jemnější odečet času). Perioda obsahuje přibližně 235 biliónů bitů, tj. asi 266 dnů. Využívá se však pouze sedmidenní část. Je určen pouze pro autorizované uživatele. 28.4.2016


strana 25

U3V - T13: GPS - NAVSTAR (8/9) Vztah PRN C/A kódu a navigační zprávy Navigační zpráva je 1023 chipů (1 ms) tvořena specifikovaným PRN kód rámcem s pěti podrámci s 1 chip bitovou rychlostí dat 50 bps. …

PRN PRN PRN

PRN

20 period kódu (20 ms)

Datové bity navigační zprávy

28.4.2016

0

0

1

0

1

Struktura nav. zprávy

0

50 bps (20 ms/bit)


strana 26

U3V - T13: GPS - NAVSTAR (9/9) První podrámec obsahuje časové údaje, informace o stavu družice a deklarované chybě. Druhý a třetí podrámec obsahuje kepleriánské elementy družice pro výpočet její aktuální polohy. Poslední dva podrámce jsou věnovány tzv. almanachu t.j. informacím o ostatních družicích systému, v každém rámci o jedné. Aktuální informace o parametrech přijímané družice získáváme každých 30 sekund, kompletní přehled o systému pak po příjmu 25 rámců, tj. za 12,5 minuty. 28.4.2016


strana 27

U3V - T13: GLONASS (1/2) GLONASS (Globalnaja navigacionnaja sputnikovaja sistema) je ruský GNSS systém založený na pasivní dálkoměrné metodě. Kosmický segment (v FOC – Final Operation Capability) 24 družic (21 aktivních) na kruhových drahách s výškou 19100 km (oběžná doba 11 h 15 min) ve třech rovinách s inklinací 64,8° http://www.glonass-center.ru/ Status – 24 družic v plné operabilitě, 2 družice v testu dodavatelem, 2 družice v testovací letové fázi Navigační signály družic - kmitočtovým multiplex FDMA: 1602 až 1616 MHz a 1246 až 1257 MHz 28.4.2016


strana 28

U3V - T13: GLONASS (2/2) Všechny družice pro měření pseudovzdáleností vysílají stejné PRN: C/A - 511 kHz, 511 bitů, P - 5,11 MHz, 33 mil. bitů. (tj. 6,57 s – ořezáno na 1 s) Navigační zpráva 50 bps: C/A – rámec 10 s, celá 2,5 min., P – rámec 30 s, celá 12 min.

28.4.2016


strana 29

U3V - T13: BEIDOU, Compass (1/1) BeiDou-I (Velká medvědice) je čínský GNSS systém opět založený na pasivní dálkoměrné metodě, využívá 3+1 geostacionární družice s pokrytím čínského území, pracovní frekvence 2491,75 MHz Compass (BeiDou-II) navazuje na BeiDou-I, cílem je instalace 27 družic na 3 MEO kruhové dráhy s výškou 21363 km a inklinací 56°, 5 geostacionárních družic a 3 geosynchronní dráhy (oběžná doba 23 h 56 min) Předpokládá globální pokrytí a aplikace jak pasivní dálkoměrné metody se signály v pásmu L. Přesnost určení polohy pro civilní signály 10 m. 28.4.2016


strana 30

U3V - T13: QZSS (1/1) QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) je japonský GNSS systém založený na pasivní dálkoměrné metodě s pokrytím Japonska a okolí, využívá HEO družice s pokrytím Japonska s elevací větší něž 70° a umožňuje navigační služby i přenos dat, videa a audia. Součástí systému je augmentace GPS.

28.4.2016


strana 31

U3V - T13: GALILEO (1/10) Integrita, dostupnost a přesnost GNSS Výběrové aplikace (letectví, doprava) vyžadují vysokou spolehlivost navigačního systému: Integrita – včasná znalost chyby a její deklarace v systému (výpadek funkce družice, chyba v efemeridách) Dostupnost (pokrytí) – dostatečné pokrytí potřebným počtem družic (např. při 1 družici mimo provoz klesne globální průměr dostupnosti pro průměrně významnou družici ze 100% na 99,93%) Přesnost – dostatečná přesnost získané polohy (v letectví je kritická chyba výšky) 28.4.2016


strana 32

U3V - T13: GALILEO (2/10) Projekt GNSS I

EGNOS = European Geostationary Navigation Overlay Service 28.4.2016


strana 33

U3V - T13: GALILEO (3/10) Sítě referenčních stanic SBAS – jednotlivé fixně umístěné monitorovací stanice zjišťují aktuální stav družicových systému a odchylku v určení polohy, komplexní model chyb a stav družic jsou distribuovány uživatelům.

28.4.2016


strana 34

U3V - T13: GALILEO (4/10) Sítě referenčních stanic SBAS – pokrytí.

28.4.2016


strana 35

U3V - T13: GALILEO (5/10) Status GNSS I Základní systém je realizován Korekce jsou distribuovány: Internet Geostacionární družice IOR-W, AOR-E a EGNOS ESA ARTEMIS (frekvence GPS L1, 1575.42 MHz, CDMA, odlišeny pomocí PRN, specifický datový formát) Novější komerční přijímače umožňují příjem WAAS korekcí (v menu aktivace WAAS) 28.4.2016


strana 36

U3V - T13: GALILEO (6/10) Kosmický segment 30 družic (27 aktivních) s výškou 23, 222 km nad Zemí (MEO) na 3 orbitách s excentricitou 0.002 a inklinací i = 56° po 120 °, na každé orbitě 10 pravidelně rozmístěných družic, přičemž vždy jedna z 10 družic je záložní. Model geoidu GTFR (GALILEO Terrestrial Reference System). Hmotnost družice 680 kg při rozměrech 2.7 m x 1.2 m x 1.1 m. Životnost družice vyšší než 12 let. 28.4.2016


strana 37

U3V - T13: GALILEO (7/10) Uživatelský segment – služby: Open Service (OS) – služba bude poskytovat informace o poloze, času a rychlosti. Je zaměřena pro široké využití, zejména pro automobilovou navigaci a k implementaci do mobilních telefonů. Bude poskytována bezplatně. Safety of Life (SOL) – služba je určena pro uživatele, u nichž je nutné garantovat kvalitu služby. Najde využití například v námořní, železniční nebo letecké dopravě. Je doplněna včasnými upozorněním uživatele, v případě možnosti zhoršení kvality služeb. 28.4.2016


strana 38

U3V - T13: GALILEO (8/10) Commercial Service (CS) – služba poskytuje přístup k přídavným signálům, které zajistí možnost větší přenosové rychlosti a vyšší přesnosti navigace. Tyto signály budou šifrované. Dále tato služba bude komerčně nabízena poskytovatelům např. předpovědí počasí, informací o dopravě apod. Public Regulated Service (PRS) – služba bude poskytnuta pouze vládou autorizovaným uživatelům, kteří vyžadují vysokou úroveň zabezpečení. PRS signály budou kódovány. Přístup k této službě bude kontrolován vládou schváleným bezpečnostním mechanismem. 28.4.2016


strana 39

U3V - T13: GALILEO (9/10) Support to Search and Rescue (SAR) Service – družice systému GALILEO budou vybaveny transpondéry, které budou schopny přenášet pohotovostní signály např. z lodí, letadel do mezinárodních záchranných center. Status 3 družice plně funkční, 1 družice bez signálu 2+2 družice vypuštěny 27.3.2015 a 11.9.2015 - testovací fáze před aktivací navigačních signálů FOC (Full Operational Capability) se plánuje na 2019/2020 28.4.2016


strana 40

U3V - T13: GALILEO (10/10) GIOVE-A kompletace

28.4.2016


strana 41

Děkuji za vaši pozornost GPS III.

GLONASS

GIOVE (GALILEO)

DHF-3 (BEIDOU 1)

Téma příští přednášky: GNSS přijímače a ukázky 28.4.2016


strana 42

13. Elektronická navigace od lodní přes leteckou po GPS principy, vlastnosti, technické prostředky

Recommend Documents