Adatgyűjtés
Geometriai adatok gyűjtése Attribútum adatok gyűjtés
Adatnyerés
A GPS-rendszer
• elsődleges: méréskor a tárgyal vagy képével fizikai kapcsolatba kerülünk • másodlagos: az információt egy meglévő állományból vesszük át
Összeállította: Szűcs László
A GPS GPS: Global Positioning System (=Globális Helymeghatározó Rendszer) -
-
-
Globális: helyzet meghatározására alkalmas rendszer, amely az egész Földön mindenhol azonos koordinátarendszerben működik Helymeghatározás: egy objektum pillanatnyi koordinátáinak meghatározása Helymeghatározó rendszer: a helymeghatározás gyakorlati megvalósítása. Több van. A tényleges rendszert a neve azonosítja.
1. Földi geodéziai módszerek
Helymeghatározási eljárások
Földi geodéziai módszerek Csillagászati geometriai módszerek Csillagászati fizikai módszerek Mesterséges holdakon alapuló módszerek
Mérőállomás
1
2. Csillagászati geometriai módszerek
Földi geodézia
Hátránya:
Előnye:
• nem globális koordinátarendszerben működik • egyszerű • relatív helymeghatározásra alkalmas • geodéziai hálózat alkalmazásával a sok helyi rendszer egy lokális rendszerré összekapcsolható (pl. egy ország vagy kontinens alaphálózata)
A csillagokra tett geometriai méréseken alapul • Földrajzi helymeghatározás • Csillagászati navigáció • Csillagászati fotogrammetria
Ezért nem nevezhető GPS rendszernek Globális rendszer CSAK kozmikus geodéziai módszerekkel hozható létre
Földrajzi helymeghatározás
Égi koordináta-rendszer
Már az ősember is használta a csillagokat a tájékozódásra. Sumerek: egyes csillagok a többihez képest mozognak: bolygók. Egyiptomiak: a csillagok koordinátáinak és éves mozgásuknak meghatározása A Nap „Föld körüli” látszólagos pályája jelöli ki az ekliptika síkját
Földi koordináta-rendszer
Földrajzi szélesség meghatározása
2
Földrajzi hosszúság meghatározása
Égi fotogrammetria
Katalógusból:
a csillagok delelésekor a Greenwichi idő
λ = LT − GT
Földi VLBI
3. Csillagászati fizikai módszerek
Az elektromágneses jelek vizsgálatán alapul
A csillagos égről függőlegesbe állított műszerrel fényképet készítünk.
• VLBI
Quasar: Quasi Stellar Radio Source (csillagszerű rádióforrás) Olyan igen nagy távolságban lévő galaxisok aktív magjai, amelyek erős rádiósugárzást bocsátanak ki
Mérjük a rádiójelet két távoli pontban és megnézzük, mennyi köztük az eltolódás: Very Long Base Interferometry (Nagyon hosszú bázisú interferometria)
Földi VLBI
Földi VLBI
A két pontot összekötő térbeli távolság nagy pontossággal meghatározható
3
4. Műholdas helymeghatározás
Nagy tömegű, kis méretű mesterséges holdak Nagy keringési magasság Forgástest alak Helyzete pontosan meghatározható Lehet aktív vagy passzív „Égi geodéziai pont” szerepét tölti be
A műholdas helymeghatározás
A műholdak célja
1957. okt. 4.: Szputnyik 1.
Aktív/passzív műholdak
Katonai felderítő műholdak Távérzékelő műholdak Meteorológiai műholdak Naprendszerkutató műholdak Holdkutató műholdak Kommunikációs műholdak Navigációs műholdak Űrhajók: embert is szállít
Egyutas/kétutas rendszerek
Az űrgeodézia 1. korszaka
1958-1970 Fotografikus megfigyelés Világító műholdak 1960-66: ECHO I., II., PAGEOS 1962: ANNA-1A, B
4
ECHO I.
ECHO I.
fellövés: 1960.08.12 30,48 m átmérőjű fényes ballon 0,00025 mm Al réteggel Nagy méret, kis tömeg, nem ideális 8 év élettartam 1600 km magasság Első kommunikációs adatátviteli kisérletek USA-Európa között
ECHO II.
ECHO II.: 1961.06.28
fellövés: 1961.06.28 Átmérő 40 m 1600 km magasságban 2 óra alatt kerüli meg a Földet fényesebb volt a csillagoknál
PAGEOS
PAGEOS
fellövés: 1966.06.24 magasság: 5207 km 30,48 m átmérő 0,0127 mm Al bevonat 55 kg 177,4 perces keringési periódus Első műhold, amit eleve geodéziai célra hoztak létre 1975-ben darabokra szakadt
5
ANNA-1A és B
fellövés: 1962.10.31 magasság: 1181 km keringési periódus: 107,9 perc átmérő: 0,91 m súly: 160kg Xenonlámpával villog
Az űrgeodézia 2. korszaka
1970-85 között A műholdak lézeres távolságmérése (SLR) A műholdakon lézertükrök • GEOS sorozat • LAGEOS • STARLETTE
ANNA-1A és B
SLR (Satellite Laser Ranging)
T=
c ⋅ ∆t 2
Rádiósugárzó műholdak: • Transit Doppler • Geos-3
SLR berendezés
SLR működés közben
6
Prizmákkal felszerelt műhold
SLR helymeghatározás
LAGEOS I.
TRANSIT-DOPPLER rendszer
Súly: 410 kg átmérő: 60 cm 426 db 38 mm lézertükör
NNSS (Navy Navigation Satellite System) 4 db poláris pálya 5-7 műhold (50-60 kg) pályamagasság: 1100 km frekvenciák: 150 MHz, 400 MHz egy műhold 15-20 percig látszott kb. 1,5 óránkét volt 1 műhold látható ebből a pontosség kb. 50 m Hosszúidejű mérésekből: kb 3 m
TRANSIT-NOVA műhold
A DOPPLER rendszer hibái
helyzetmeghatározás óránként gyors objektumok navigációjára alkalmatlan lassú járművek navigációjára is nehézkes egy meghatározás 15-20 perc ebből a pontosság kb. 50 m gyakori meghibásodások
7
5. NAVSTAR-GPS rendszer
Az űrgeodézia 3. korszaka
kb. 1980-tól Cél: a műholdas technikát a mindennapokban használhatóvá tenni NAVSTAR-rendszer GLONASS-rendszer GALILEO-rendszer stb. polgári rendszerek
bárhol a Földön és közeli környezetében (bizonyos feltételekkel!) bármely időpontban, minden időjárási körülmények között hely, sebesség, idő meghatározása katonai kívánalmaknak megfelelő pontossággal mindig azonos koordinátarendszerben műholdas rendszer (GNSS: Global Navigation Satellite System)
A működés elve
Koordinátarendszerek
Ismert koordinátájú műholdak műhold-vevő távmérés vevő helyzete ívmetszéssel meghatározható
WGS-84 ellipszoid a derékszögű rendszerbe illesztve
A követőállomások alrendszere
A működéshez kapcsolódó feladatok ⇒ szegmensek
Legyenek műholdak, amelyekre mérni lehet ⇒ műholdak alrendszere Legyen egy intézmény, amely meghatározza a műholdak koordinátáit ⇒ kontroll-állomások alrendszere Legyen, aki meghatározza a műholdvevő távolságot ⇒ felhasználók alrendszere
cél: a műholdak koordinátáit minden pillanatban ismerni kell. ezt 5 földi pontról határozzák meg katonai támaszpontok minden állomás koordinátája nagy pontossággal (VLBI mérésből) ismert
8
A követőállomások alrendszere
A műholdak alrendszere
minimum 24 műhold 6 pályán elosztva keringési idő 12 óra csillagidőben (11 óra 58 perc szoláris időben) keringési magasság a Föld felett 20 200 km! i=55 fok
A műholdak alrendszere
Block I.: 1978.02.22-1985.10.9. (11 sikeres fellövés)
A műholdak alrendszere
- 6 hónapig romló pontossággal a pályaelemek automatikus meghatározása - hordozó: űrsikló - 4 atomóra
• 845 kg, az utolsó 1995.XI.18-ig működött • 4,5 év tervezett élettartam (tovább működik) • i=63 fok
Block IIR (Replenishment): -
Block II.: 1989.02-1990.10. • 1500 kg, 7,5 év tervezett élettartam • a civil felhasználók pontossága tetszés szerint korlátozható! • i=55 fok ettől fogva • II=második generációs GPS műhold
Block IIA.: 1990.10.-1997.11.
-
Block IIR-M (modernized IIR):
- 2000 kg, földi irányítás nélkül 30 napos működés 7,8 év élettartam 3 Rubidium atomóra, a régieknél pontosabb 6 hónapig romlatlan pontossággal a pályaelemek automatikus meghatározása 1997 július – 2004 november új jeltípusok sugárzására is képes (L2C és új katonai kódok) 2005 szeptember – 2009 augusztus
Block IIF (Follow):
új jeltípusok sugárzására (3. civil kód (L5), életmentő kód, stb.) nagyságrenddel nagyobb atomóra-pontosság 12 év tervezett élettartam 2010 május- (2013 október)
9
A műholdak alrendszere
A műholdak alrendszere
Block III (harmadik generációs mh):
tervezés alatt nagyobb jelerősség, pontosság és működési megbízhatóság 15 év élettartam negyedik civil kód lézerprizmák
• Block • Block • Block • Block • Block
Alapfrekvencia: f0=10.23 MHz Két frekvencián sugároznak: L1=150 f0=1575,42 MHz L2=120 f0=1227,60 MHz
II IIA IIR IIR-M IIF
– – – – –
0 db. 8 db. 12 db. 8 db. 4 db.
Műhold-vevő távmérés elve kódméréssel
A műholdak alrendszere
Jelenleg (most éppen) 32 műhold üzemel:
(19 cm) (24 cm)
A vivőfrekvenciákat kódokkal modulálják: • C/A-kód: civil kód (L1) • Y-kód: katonai alkalmazásokhoz (L1 és L2) • D-kód: műhold pályájának adatai (L1 és L2)
A kódmérés elve
Minden műholdnak van egy egyedi kódja (C/A-kód), mely alapján a műhold megkapja az azonosító számát (PRN) A műhold 0,001 másodpercenként sugározza az 1024 bites azonosító kódot a vivőhullámra modulálva. A kód futási idejét a fénysebességgel (c) szorozva kapjuk a műhold-vevő távolságot. (c=299 792 458 m/s)
A kódmérés elve
Műholdról sugárzott jel t
Vevőbe érkező jel t
Vevőben generált jel
t
Elvileg a vevő és a műhold ugyanabban a pillanatban generálja a jelet. Ehhez szükséges egy egységes GPSidőrendszer. Ezt az időrendszert atomórák határozzák meg. Ezért minden műholdon 4 atomórát helyeztek el. De még így is lehet hibájuk. A vevőkben csak egy kvarcóra található, így általában rossz az időzítés.
dt
tsugárzás= tgenerálás
tvétel
10
A kódmérés elve
A kódmérés elve
(A műhold és a vevő órája is hibásan jár)
A mért hibás távolság (pszeudo-távolság):
R = dt ' c = (dt + δ mh − δ vevő )c = Műholdról sugárzott jel δ
ρ + δ mh c − δ vevő c =
t
mh
sugárzás
t
( X mh − X P ) 2 + (Y mh − YP ) 2 + ( Z mh − Z P ) 2 +
Vevőbe beérkező jel ∆
t
dt
δ mh c − δ vevő c Ismeretlenek : X P , YP , Z P , δ vevő
Vevőben generált jel δ
t
vevő
Mesterséges hold adataiból számolható :
dt'
tgenerálás
X mh , Y mh , Z mh , δ mh
tvétel
A kódmérés elve
Az SA (Selective Availability): szándékos pontosságrontás
Egy időpontban mérünk pszeudo-távolságot minden egyes műholdra. D-kódú üzenetből számítjuk a műhold koordinátáit és órahibáját. Meghatározzuk a vevő 3 koordinátáját és órahibáját. Ez 4 ismeretlen. 4 ismeretlent 4 egyenletből tudunk meghatározni, ezért legalább 4 műhold vétele szükséges!
A műhold-vevő távolság meghatározásának elve fázisméréssel (Hibátlan műhold és vevő óra esetében) Vevő
A helymeghatározás fontosabb hibaforrásai
Műholdhoz kapcsolódó: • műhold helyzeti hibája • műhold órájának hibája • műhold antennájának külpontossága
Műhold λ Nλ
Φλ
• légkör okozta késleltetés • a jel visszaverődései (multipath)
R Új ismeretlen: N (fázis-többértelműség) Hullámhosszak: L1 (19,05 cm), L2 (24,45 cm)
Jel futásához kapcsolódó:
GPS-vevőhöz kapcsolódó: • vevő órahibája • antenna külpontossága
Mérni tudjuk: Φ
11
A felhasználói szegmens
mindenki, aki hely, sebesség és időadatokat akar meghatározni mindenki, aki a légkörön átmenő elektromágneses hullámokat akar vizsgálni
A felhasználóknak szükségük van egy GPS-vevőre
GPS-vevők fajtái 1.
• 3-10 m vízszintes hiba • 10-20 m magassági hiba
Relatív mérésnél: • 2-5 m vízszintes hiba • 3-5 m magassági hiba
GPS-vevők fajtái 2.
C/A kódmérő vevő: kézi navigációs műszerek. Abszolút mérésnél:
Általában navigációs/térinformatikai célra készül Ára: kb. 50.000 – 300.000 Ft
GPS-vevők fajtái 3.
Térinformatikai vevők: • Fázisméréssel simított kódmérés • Relatív mérésnél 5-25 cm pontosság • Ár: kb. 900.000 – 1 100.000 Ft
GPS-vevők fajtái 4.
kód+L1+L2 fázismérés: kétfrekvenciás geodéziai vevők Relatív mérés pontossága: 0,1-10 mm 10 km vektorhossz fölött is. Ára: 4 – 8 M Ft Valósidejű relatív mérés (RTK) esetében ára: 12-15 M Ft
L1 fázismérő vevő: egyfrekvenciás geodéziai vevő Tudja a kódmérést is 10 km alatti relatív mérés esetén a pontossága 0,1-10 mm Ára: 1,2 – 2,5 M Ft
GPS-vevők fajtái 5.
Y kódmérő vevők csak az amerikai hadseregnek van
(2 db GPS-vevő + rádió kapcsolat)
12
Pl. Trimble 4000 sorozat
Pl.: Trimble 4800
Pl.: Ashtech Promark
Pl.: Ashtech Promark
A mérések csoportosítása 1.
A mérések csoportosítása 2.
Kódmérés: a vevő helyzetét a vivőjelre modulált kód (C/A vagy Y) futási idejéből számított pszeudotávolságokból határozzuk meg. Fázismérés: A vevő helyzetét a műholdakról beérkező vivőhullám (L1 vagy L2) beérkezési fázisából határozzuk meg.
Abszolút mérés: egy pont koordinátáit határozom meg a műholdakra végzett mérésekből. Relatív mérés: egy pont koordinátáit egy másik ponthoz képest határozom meg a műholdak alapján.
13
Abszolút mérés
Relatív mérés
A mérések csoportosítása 3.
A mérések csoportosítása
Statikus: a meghatározandó objektum áll. Kinematikus: a meghatározandó objektum mozog.
Abszolút Relatív
Statikus Kinematikus kód fázis kód fázis 5-20 m 5-20 m 3-5 m 0,1-10 mm 3-5 m 1-20 mm
Létezik még az ún. „fázisméréssel simított kódmérés” technológiája térinformatikai célokra. Ezzel az elérhető pontosság 5-25 cm relatív mérés esetén.
A mérések csoportosítása 4.
Valósidejű relatív mérések elve
Utófeldolgozásos: a rögzített mérési adatokat számítógépre letöltjük, szoftverrel számítunk pozíciót. Valós idejű: a mérési adatok alapján a GPS-vevő határozza meg a pozíciót.
14
Permanens állomás
WAAS-EGNOS
WAAS-EGNOS
Néhány alkalmazási terület
Katonai alkalmazások
Navigáció, járműkövetés Geodézia, térképezés, mozgások kimutatása Mezőgazdaság, erdészet Meteorológia Stb.
Járműkövetés (LOGICONT)
Tank tüzelésének vezérlése
http://www.hexaszer.hu/logicont/
15
Vadállatok követése
Járműkövetés
http://www.environmentalstudies.de/projects/projects.html
Vadállatok követése
Animal Tracking
Animal Tracking: medve és a tervezett horvát autópálya
Animal Tracking
planned route
16
Earthquake in Japan
GEONET 2006: Japán GPS hálózata
Geotectonical Motion Detection
MIZU GPS Station
Mizusawa Astronomical Centre
MIZUsawa GPS Station
6. A GLONASS rendszer
Computed: Prof. Richard Langley, New Brunswick University
Globális Navigációs Műholdrendszer orosz elnevezés rövidítése Céljaiban és kialakításában nagyon hasonló a NAVSTAR GPS rendszerhez Működtetője: Oroszország Hadügyminisztériuma Felfedezése: Svájci műholdas kutatások
17
A működés elve
Feladata
Definíciója megegyezik a NAVSTAR rendszerével
Azonos a NAVSTAR rendszerével
A rendszer felépítése
Követő állomások
Műholdak alrendszere Követőállomások alrendszere Felhasználók alrendszere
Műholdak alrendszere
Műholdak alrendszere
3 pályasík inklináció 64,8º Föld feletti magasság: 19 130 km Keringési idő: 11 óra 15 perc 44 mp. Minden pályán 8 műholdnak kell lennie, szabályosan (45 fokonként) elosztva Így mindenhonnan mindig látszik legalább 5 műhold Majdnem ez volt a NAVSTAR-GPS eredeti terve
1982.10.12: első műhold fellövése 1996. januárban mind a 24 műhold üzemelt utána takarékossági okokból a fellövések szüneteltek a műholdak száma egyre fogyott 2005.12.25: 3 új műhold fellövése 2007 végre: elérni a 18 műholdas állapotot 2008-ra: a rendszer teljes kiépítése Ma: 24 működő + 1 vizsgálat alatt álló
18
GLONASS-M
GLONASS-M
GLONASS-K
Műholdak
Teszt üzemmódban: GLONASS Block I. • élettartam: 3 év • több működési probléma • civileknek csak 1 frekvencia használható
Jelenleg: GLONASS-M műholdak • 7 év élettartam • 2 frekvencia
2007-es terv: GLONASS-K műholdak • • • •
Műholdakról sugárzott jelek 9 MHz 16 7 L 2 = 1246 + n MHz 16 L1 = 1602 + n
Vivőfrekvenciák: (műholdanként kicsit más)
7. A GALILEO rendszer
Kódok:
C/A kód (civil) P-kód (katonai) D-kód (pályaadatok)
10 év élettartam 3 frekvencia új, kibővített földi követőhálózat Ma 1 db van
Cél: műholdas civil navigációs rendszer, főleg európai alkalmazásokhoz Létrehozója: Európai Űr Ügynökség (ESA) Együtt is használható majd a NAVSTAR és GLONASS rendszerekkel
Nincs direkt pontosságrontás a rendszerben!
19
A rendszer felépítése
Műholdak alrendszere Követő állomások alrendszere Felhasználók alrendszere
Követő állomások alrendszere
Követő állomások alrendszere
A műholdak alrendszere
Parancsnokság: Prágában (2010-es döntés) Irányító állomások: Németország, Olaszország GST: GALILEO Sensor Stations • veszik az összes GALILEO műhold jelét • továbbítják a GCC-khez • kb. 20-30 állomás lesz a Földön elszórva • ebből kb. 15 a műholdra adatot is tud majd feltölteni
GCC: GALILEO Control Centers • két feldolgozó központ
A műholdak alrenszere
A műholdak alrendszere
Sugárzott frekvenciák száma: 6 4 tervezett kód: • OS: Open Service: szabadon használható kód • SoL: Safety of Life: életmentő-kód, ha a rendszer pontossága romlik, jelez • CS: Commercial Service: előfizetős kód • PRS: Public Regulated Service: szabadon használható kód
20
Műholdpályák
3 db műholdpálya inklináció 56º minden pályán 9 aktív és 1 tartalék hold Föld feletti magasság: 23 616 km 2005.12.28: az első GALILEO műhold fellövése (Giove A) Baikonurból Terv: a rendszer 2008-2010-re kiépüljön Jelenleg 2 teszthold van!
Vége
Jelenlegi megvalósulása
2011. október 21: két műhold fellövésével érvényesítik a rendszert 2012. október 12: két újabb teszthold ezzel a pályatervezési szakaszt lezárták A teljes rendszer (30 műhold) megvalósítása 2019-re van tervezve
Vége
Csak a SZIE YMÉK Térinformatika c. tantárgyának oktatására használható!
21
