Globális mőholdas navigációs rendszerek Oktatási segédanyag a vadgazda MSc levelezı hallgatók számára az „EG520 – Geomatikai és térinformatikai ismeretek” címő tárgyhoz Készítette: Bazsó Tamás – Kiegészítette: Király Géza A globális helymeghatározás fontossága abban rejlik, hogy az egész földfelszínt egyetlen koordináta-rendszerbe foglalja. A mérések, ábrázolások nem a síkon, hanem az ellipszoidon történnek. A pozíció megadása a meridián mentén, a földrajzi szélesség valamint a paralelkörök mentén, a földrajzi hosszúság mérésével adható meg. (Régen – fıként a hajózásban – hasonló módszerekkel, de más mőszerekkel – szeksztáns és óra – is történt hasonló helymeghatározás). A mesterséges holdak elterjedésével többféle eszközt és módszert kipróbáltak a globális helymeghatározás és navigáció területén, míg a mai napra egészen hétköznapi módszerré vált. A mai globális mőholdas helymeghatározási rendszereket összefoglaló néven GNSS (Global Navigation Satellite Systems) rendszereknek nevezik. A rendszer legismertebb és legidısebb képviselıje az Amerikai Egyesült Államokban, elsıdlegesen katonai célra kifejlesztett NAVSTAR GPS (Global Positioning System) globális helymeghatározó rendszer. A rendszert az 1970-es években kezdték kifejleszteni és a mai napokban éli fénykorát, már polgári célú alkalmazásban is. Több ország is fejleszt hasonló rendszereket, amelyek szintén a GNSS-hez tartoznak, ezek közül kettıt említünk. Hasonlóan mőködik az orosz fejlesztéső GLONASS elnevezéső rendszer, bár rendszerfenntartás anyagi problémái miatt jelenleg csak korlátozott formában használható. Kifejezetten polgári célra fejleszti az Európai Unió a GALILEO elnevezéső globális navigációs rendszerét, amely egyelıre még szintén rendszerbeállítási problémákkal küzd. A helymeghatározás a mőholdakra vonatkozó távmérésen alapszik. A távolságokat a mőholdak által sugárzott jelek futási idejének mérésével határozzák meg (egy utas távmérés). Mivel a jel futási idejének mérését állandó órahibák is terhelik, csak áltávolság mérésrıl beszélhetünk. Ezért a vevı három térbeli koordinátájának és az órahibának a meghatározásához, legalább négy mőholdra vonatkozó egyidejő áltávolság mérésre van szükség. Mivel a mőhold által sugárzott jelek áthatolnak a légkörön (az atmoszférán), a rendszer az idıjárástól függetlenül, a Föld felszínén bárhol, egész nap használható. A Föld körül keringı mesterséges holdak, mint ismert pontok mozognak az égbolton, a Föld felszínén mőködtetett GPS-vevı pedig az ismeretlen meghatározandó pont. Az egyenletesen elosztott pályasíkok, illetve az egymást követı mőholdak segítségével a Föld bármely pontján egy idıben 4-10 mőhold figyelhetı meg. Az olcsó, széles körben használható, nem geodéziai GPS vevık pontossága ma már 10 méter alatt van. A mőholdas rendszer – a hagyományos geodéziai eszközökkel ellentétben – közvetlenül háromdimenziós (3D), tehát nem válik el a vízszintes és a magassági meghatározás. A mérések elvégzéséhez nem szükséges az összelátás, a GPS antennájának csak az égboltra kell szabad kilátást biztosítani. A mérések bármilyen idıjárási körülmények között elvégezhetık, elıre tervezhetık, határidıre kivitelezhetık. A mérési adatokat az eszköz a memóriájában tárolja, ahonnan egy számítógépbe átolvasva a feldolgozás során megkapjuk a mért pontok koordinátáit. Ezek azután tetszıleges geoinformatikai rendszerbe közvetlenül bejuttathatók. A különbözı országok rendszereinek felépítése nagyon hasonló, a továbbiakban az amerikai GPS globális helymeghatározó rendszerrel foglalkozunk részletesebben. 9.1. A GPS rendszer alrendszerei A rendszer három alrendszeren keresztül válik használhatóvá, ezek pedig: 1. a mőholdak alrendszere, 2. a földi követıállomások alrendszere, és a 3. GPS vevık alrendszere.
Mőholdak • atomóra (10-13) • célszámítógép • adó/vevı • antenna • korrekciós hajtómővek • • • • • GPS-vevı • kvarcóra • vevı • célszámítógép • helyzet (ϕ,λ,h) • információ
L1/L2 idı-/pályaadatok kód egyéb adatok információ
Követıállomások • monitor • adatfeldolgozás • adatfeljuttatás
1. ábra: A GPS három alrendszere 9.1.1. A mőholdak alrendszere A mőholdak alrendszere a Föld körül keringı mőholdak sokasága. A mőholdak Föld körüli pályán keringenek olyan elosztásban, hogy teljes kiépítettségben a földfelszín bármely pontjáról tetszıleges idıpillanatban legalább 4 mőhold látszódjon. Hat pályasíkon a mőholdak közel kör alakú pályán keringenek, a földfelszíntıl számított 20 200 km átlagos magasságban. A pályasíkoknak az egyenlítı síkjával bezárt szöge (inklináció) 550. A mőholdak keringési ideje (csillagidıben) 12 óra. Kezdeti elképzelésként 24 mőholdat terveztek pályára állítani a teljes lefedéshez (illetve ez a szám már tartalék mőhold pályára állítását is tartalmazta). A mőholdakat fokozatosan, több év alatt állították pályára. A rendszer kiépítése óta több évtized eltelt, ezalatt a mőholdak több generációját (a legújabb Block IIF) fejlesztették ki és állították pályára. Erre – a korszerősítés mellett – a mőholdak élettartama miatt is szükség volt, mert a kezdetekben egy mőhold körülbelül csak 4,5 évig tudott üzemelni (a mai mőholdakat 11 évre tervezik). Meg kell jegyeznünk, hogy az évtized végére – bár több, mint 30 mőhold kering a Föld körül – nagyszámú mőholdat szükséges pályára állítani a rendszer további tökéletes mőködéséhez.
2. ábra: A mőholdak sematikus képe és földkörüli elhelyezésük 2
9.1.2. A földi követıállomások alrendszere A GPS követıállomások alrendszere a földi egyenlítı körül közel egyenletesen elhelyezett öt megfigyelı állomásból (katonai bázisból) áll. A Colorado Springs nevő állomás a vezérlıközpont szerepét is betölti, ahová a többi állomás adatai is befutnak. Feladatuk, hogy az ismert koordinátájú állomások, fordított helymeghatározással a mőholdak pálya- és óraadatainak meghatározását elvégezzék a WGS-84 vonatkoztatási rendszerben. Majd ezeknek az adatoknak a feljuttatása a mőholdakra. A mőholdak pályakorrekciói és a rendszer korlátozások vezérlése is itt történik.
Hawaii (követıállomás)
Kwajalein Colorado Springs (követıállomás és vezérlıközpont)
Ascension (követıállomás)
Diego Garcia
(követıállomás)
(követıállomás)
3. ábra: A földi követıállomások elhelyezkedése 9.1.3. GPS vevık (felhasználók) alrendszere A GPS-berendezések folyamatosan veszik a mőholdak által sugárzott jeleket, elvégzik a helymeghatározáshoz szükséges számításokat, és szükség esetén az utólagos feldolgozás céljára eltárolják a méréséi eredményeket is. A technológiai–mőszaki fejlıdéssel az 1970-es évektıl mostanáig nagymértékő változás figyelhetı meg a mőszereknél, amely fıként a kialakítás, méret és az ár tekintetében jelentkezik. GPS mőszerek felhasználási területei: • repülés, • hajózás, • szárazföldi navigáció, • geodézia, • katonai, • hobbi. 9.2. A mőholdak által sugárzott jelek és mérési módszerek A következıkben csak tényszerően közlünk néhány adatot, amelyekkel a hétköznapi életben is találkozhatunk, viszont egy GPS mőszer használatához nem nélkülözhetetlen. A konkrét folyamatokat itt nem részletezzük. A mőholdak két folyamatos vivıfrekvenciát modulálnak és sugároznak a földfelszínére: L1: = 1575,42 MHz (hullámhossz λ= 0.19 cm) L2: = 1227,60 MHz (hullámhossz λ= 0.24 cm) Ezeket a vivıhullámokat kódokkal és adatokkal többszörösen modulálják, így lehetıvé téve a futási idı meghatározását (amely segítségével meghatározhatjuk a távolságot mőhold és vevı között).
3
A modulálásra használt kódok: P a P-kód (Precise, pontos vagy Protected, védett); W a W-kód, amely a zavaró jelek elleni védelem (A-S, Anti-Spoofing) érdekében a P-kódot a titkos Y-kódra alakítja át (P+W=Y); C a C/A-kód (Coarse vagy Clear Acquisition, durva vagy nyílt adatnyerés, egyesek szerint Civil Access, polgári hozzáférés); D az adatkód (Data). 9.3. Mőszerek A mőszereket különbözı céllal, különbözı pontossági igénnyel, és jelentısen eltérı áron gyártják. Így a cél és pontosság tekintetében a vevıberendezéseket három nagy kategóriába sorolhatjuk: 1. geodéziai A nevébıl adódóan, földmérésben használatos mőszerek, centiméter alatti mérési pontossággal. A mőszerek három fı részbıl állnak: az antenna, kontroller és a vevı berendezés. Esetenként az antennát vagy a kontrollert egybeépítik a vevıvel. A kapcsolat közöttük vezetéken vagy vezeték nélkül (pl. Bluetooth) történik.
4. ábra: Különbözı cégek geodéziai GNSS mőszerei 2. térinformatikai Ez a kategória nem igazán a pontosság szempontjából különül el a többi mőszertıl, hanem inkább a használhatóság tekintetében. A mőszer lényegében egy tenyérszámítógépbe épített GPS berendezés, amely számítógépre térinformatikai szoftvert telepítenek. Ezáltal a mőszer memóriájába másolt adatokkal és a terepen a GPS-szel rögzített adatokkal már a helyszínen tudunk dolgozni, különbözı térinformatikai mőveleteket végezni. Mérések tekintetében ezen mőszerek 5-10 méter pontossággal tudunk dolgozni. 4
3. navigációs adatgyőjtıkre. A navigációs készülékek közé sorolhatók a kimondottan csak navigációs célra gyártott autós navigációs berendezések és az adatgyőjtést is lehetıvé tevı kézi navigációs mőszerek. Lehetnek színes és monokróm képernyıvel szereltek. Különbözı térképek másolhatók a mőszer memóriájába, amelyeket kimondottan egy adott típushoz vagy márkához készítenek. Pontosságuk általában 10 méternél rosszabb.
5. ábra: Néhány gyártó navigációs mőszere. 9.4. Navigációs mőszerek felhasználásáról A navigációs adatgyőjtı mőszerek közül nagyon sokféle található a piacon, még az egyes gyártók mőszerei között is nagy különbségek lehetnek, amelyek legfıképp a felhasználás céljából adódnak. Nem is célunk ezen kereteken belül a részletes megismerés – ezt a mőszerekhez mellékelt használati útmutatóból megtehetjük –, hanem inkább egy átfogó képet adni a használhatósággal kapcsolatban. Fıbb funkciók: • térképen vagy adott útvonalon (irányba) haladni; • digitális tájolóként használni a mőszert; • mőholdkép (mőhold státusz, konstelláció) ellenırzése; • pozíciónkat leolvasni; • különbözı navigációs adatok alapján navigálni. Ezeket a funkciókat általában külön képernyıkön érhetjük el, amelyek között a navigációs gomb segítségével léptethetünk. A térkép képernyı nem feltétlenül tartalmaz külön, a mőszerre feltöltött digitális térképet, esetenként csak a saját magunk által bejárt és a mőszeren rögzített útvonalat tudjuk megjeleníteni. Az iránytőt, mint egy hagyományos eszközt használhatunk az égtájak vagy irányok meghatározására. A mőhold státusz képernyın a mőszer által, az álláspontunkból érzékelt mőholdak számára és a róluk sugárzott jelek erısségére kapunk betekintést. Ez nagyon fontos információ az álláspontunk pozíció pontosságának meghatározása szempontjából. A pozíció képernyın az aktuális helyzetünk koordinátáit ismerhetjük meg, illetve rögzíthetjük. Fontosak még az úgynevezett navigációs képernyık, melyek az adott célnak megfelelıen (hajózás, kerékpározás, túrázás, autózás stb.) jelenítik meg az adatokat. Lehetnek azonos adatok is más méretben, elhelyezésben, de bizonyos használathoz lehet több vagy kevesebb adatot is szolgáltatni. A felsoroltak természetesen nem feltétlenül találhatóak meg külön képernyın, ez a mőszer típusától függı tényezı, illetve egyes mőszereken ezeket a képernyıket magunk is szerkeszthetjük, 5
összeállíthatjuk. Viszont a mőszerek fıbb funkcióit ezek adják, tehát általánosságban véve minden mőszeren meg fogjuk valamilyen formában találni.
6. ábra: Térkép-,
iránytő-,
mőholdstátusz-,
pozíció-képernyı
7. ábra: Különbözı navigációs képernyık Fontos funkciója még a mőszereknek, amely nem képernyıhöz kötött, az álláspontok tárolása. Egy gombnyomásra, vagy indítás és befejezés gombnyomásra rögzíthetjük álláspontunkat, illetve útvonalunkat. Ezeket a pontokat, pontsorozatokat (útvonal) – mint terepi méréseket – le is tölthetjük a számítógépünkre és további célokra felhasználhatjuk. De késıbbi tájékozódásra is eltárolhatjuk és a mőszer egy funkciójával megadva egy rögzített pontot, oda visszanavigálhatunk, vagy egy rögzített útvonalon újra végighaladhatunk a mőszer segítségével.
6
