20.2.2014
20.2.2014
Princip dálkoměrných měření GNSS P r e ze n t a c e 2 GLOBÁLNÍ NAVIGAČNÍ A POLOHOVÉ SYSTÉMY David Vojtek
20.2.2014
Institut geoinformatiky Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava
Rekapitulace Kapitán a sirény (analogie kódových meření) Vysílače a signály v GNSS Dálkoměrná metoda kódových měření Dálkoměrná metoda fázových měření
20.2.2014
Připomenutí základních myšlenek z minulé prezentace
REKAPITULACE
1
20.2.2014
20.2.2014
K lokalizaci se používají orientační body K orientačním bodů měříme: Délky (D1,D2,D3) Úhly (Az1, Az2) Úhel a délku
protínání z délek protínání z úhlu tachymetrie
Příklady
D3 D1 Az1
D2
20.2.2014
Az2
Multilaterace rozdíl zpoždění signálů tří vysílačů a přijímače (LORAN-C)
Trilaterace vzdálenost tři vysílačů a přijímače (GPS, GLONASS …)
Triangulace měření úhlů (VOR/DME)
Dopplerovská měření
20.2.2014
vychází z principu dopplerovského posunu (TRANSIT)
Analogie pro pochopení fungování primární dálkoměrné metody v GNSS s popisem základních negativních vlivů na měření.
KAPITÁN A SIRÉNY ANALOGIE KÓDOVÝCH MEŘENÍ
2
20.2.2014
loď
Příklad převzatý z KAP05
20.2.2014
mlhová siréna 3
Centrální čas
mlhová siréna 1
loď
mlhová siréna 2
1. Na začátku každé celé minuty, sirény vyšlou svůj signál.
Příklad převzatý z KAP05
20.2.2014
mlhová siréna 3
Centrální čas
mlhová siréna 1
loď
Δt1= 7,5 s d = 2,25 km 1. 2.
3.
Na začátku každé celé minuty, sirény vyšlou svůj signál. Kapitán lodi měří, kolik času od začátku celé minuty uplynulo, než zaslechl signál z mlhové sirény 1, sirény 2 a sirény 3. Čas přepočte na vzdálenost d = Δt . v
mlhová siréna 2
Rychlost šíření zvuku u hladiny moře a teplotě 15°C v = 340 m.s-1 Příklad převzatý z KAP05
20.2.2014
3
20.2.2014
20.2.2014
1) Zná přesnou polohu mlhových sirén (vysílačů). 2) Hodiny sirén (vysílačů) a lodní hodiny (přijímače) jsou synchronní. 3) Signál obsahuje časovou značku. 4) Signál umožní identifikaci zdroje (vysílače). 5) Signál se šíří prostředím známou rychlosti. 6) Signál se šíří přímo, bez odrazů.
d2 = 3,06 km
d3 = 2,72 km
Příklad převzatý z KAP05
20.2.2014
20.2.2014
Rychlost šíření zvuku není konstantní. Závisí na prostředí, ve kterém se zvuk šíří.
Všechny čtvery hodiny nejsou synchronní. Poloha mlžných sirén není známa. Signál nemusí dorazit po nejkratší cestě. Překážky v cestě signálů.
Zvuk nemusí být dobře slyšet. Rušení jinými zvuky (ozvěna, hluk motoru …)
4
20.2.2014
P3 = d3 + ε3
Pi – pseudovzdálenost di – vzdálenost εi – chyba určení vzdálenost nesynchronní hodin, vliv šíření zvuku různým prostředím s různou rychlosti šíření zvuku, rušivé zvuky, odražené signály atd.
Příklad převzatý z KAP05
20.2.2014
20.2.2014
Popis role vysílače a jeho signálů v GNSS. Vybrané metody identifikace zdroje signálů.
20.2.2014
VYSÍLAČE A SIGNÁLY V GNSS
Vysílačem jsou družice. Družice nejsou statické, přesto je jejich poloha známá s dostatečnou přesnosti. Družice vysílá rádiové signály. Rádiové signály jsou vysílané minimálně na dvou frekvencích. Výhoda rádiových signálů je jejich velký dosah a rychlost jejich šíření. Celý Zemský povrch je možné pokrýt rádiovým signálem z malého množstvím družic. V době vzniku měl GLONASS 21 družic a GPS 24 družic.
5
20.2.2014
20.2.2014
20.2.2014
1) Pilotní signál nosná vlna + pseudonáhodný kód 2) Datový signál nosná vlna + pseudonáhodný kód + datová zpráva
Nalézt a odlišit signál družice od jiných signálů Pomocí pseudonáhodného kódu (PRN1) kód).
Identifikovat zdroj signálu Jen pokud používá družice k identifikaci PRN kód.
Provést dálkoměrné měření Pomocí PRN kódu.
PRN je z angl. Pseudo Random Noise.
20.2.2014
1)
Stejný jako pilotní signál Dodat navigační a systémová data GNSS
K čemu slouží navigační data? K přesnému stanovení polohy a času družice. K zaznamenání časových značek odeslání signálů. Stanovení systémového času GNSS. Získání dalších systémových dat GNSS.
6
20.2.2014
20.2.2014
20.2.2014
Kódové dělení (GPS, Galileo, COMPAS, nově i GLONASS) Všechny mají přidělenou stejnou frekvenci Každý vysílač má přidělený unikátní pseudonáhodný kód (PRN kód) Frekvenční dělení (GLONASS) Každý vysílač má přidělenou svou unikátní frekvenci odvozenou od základní frekvence Časové dělení (v GNSS se nepoužívá)
Kódová měření, výchozí podmínky pro kódová měření, jejich výhody a nevýhody.
20.2.2014
KÓDOVÁ MĚŘENÍ
Metoda kódových měření primární1) GNSS metoda využívá tzv. PRN kód (označován také jako dálkoměrný kód)
Metoda fázových měření Metoda Dopplerovských měření pro sledování změn pseudovzdáleností družic 1) Při budování systému GPS a GLONASS byla a je základní metodou měření.
7
20.2.2014
20.2.2014
PRN kód umožňuje měřit čas přijetí signálu Časové značky v signálu umožní GNSS přístroji zjistit, kdy byla daná část signálu z družice vyslána
20.2.2014
PRN kód má i jiné funkce například: Nalezení signálů družice Identifikace družic, Dekódování obsahu signálů, atd…
Přijímač z časové značky odeslaní signálu z družice tdi a času přijetí signálu přijímačem tp určí časové zpoždění signálu: Δti = tp – tdi Δti zahrnuje všechny vlivy nepříznivě působící na měření vzdálenosti Pseudovzdálenost k družici i:
Pi = Δti . c
20.2.2014
c – rychlost šíření světla (elektromagnetické vlnění)
rádiové signály se šíří rychlostí světla cca 300 000 000 m/s Přepočty: 300 000 m/ms (10-3 s)
Přesné měření času a jeho synchronizace je klíčová! Při chybě 1/10 μs v měření času je pseudovzdálenost určená s chybou 30 metrů!
8
20.2.2014
20.2.2014
P(t) = tREC – tSAT + ε ε = QREC(t) + τSV(t) + τREC(t) + γiono(t) + δtropo(t) chyba hodin přijímače chyba hodin družice vliv ionosféry vliv troposféry ostatní chyby (šum, vícecestné šíření signálů, atd.)
20.2.2014
τREC(t) τSV(t) γiono(t) δtropo (t) QREC(t)
𝑃𝑖 = 𝑠𝑖 −
+𝑐
𝑠𝑖 = 𝑥𝑖 , 𝑦𝑖 , 𝑧𝑖
Pseudovzdálenost přijímač – družice
Polohový vektor družice
Polohový vektor přijímače
Pi
si
𝑃1 = 𝑃2 = 𝑃3 = 𝑃4 =
Pi(t) – vzdálenost εi – chyba určení vzdálenost
𝑥1 − 𝑥2 − 𝑥3 − 𝑥4 −
2
+ + 2+ 2+ 2
𝑦1 − 𝑦2 − 𝑦3 − 𝑦4 −
2
+ + 2+ 2+ 2
Chyba hodin přijímače
𝑧1 − 𝑧2 − 𝑧3 − 𝑧4 −
2
+𝑐 +𝑐 2+𝑐 2+𝑐 2
Jednoznačná lokalizace na Zemském povrchu vyžaduje: Příklad převzatý z RAP02
20.2.2014
9
20.2.2014
20.2.2014
Přesnost závisí na dvou faktorech Na rychlosti PRN kódu Na požité metodě zpracování PRN kódu v přijímači Standardní zpracování přesnost 1% délky 1 chipu kódu Pokročilé zpracování přesnost 0,1% délky chipu kódu.
20.2.2014
Například: C/A-kód družic GPS má rychlost 1023 chips/s. Délka 1 chipu C/A-kódu = 293 m. Standardním zpracováním C/A-kódu chyba = 29.3 m Pokročilým zpracování C/A-kódu chyba = 2,93 m
Rychlé získání polohy Odolnější proti rušivým vlivům prostředí Po ztrátě signálů a jeho opětovném nalezení rychlé opětovné získání polohy Podporují je všechny GNSS přístroje Měření jediným přístrojem
20.2.2014
Méně přesné ve srovnání s metodou fázových měření
Fázová měření, výchozí podmínky pro fázová měření, jejich výhody a nevýhody.
FÁZOVÁ MĚŘENÍ
10
20.2.2014
20.2.2014
Metoda kódových měření Metoda fázových měření sekundární1) metoda využívá nosné vlny signálů
Metoda Dopplerovských měření pro sledování změn pseudovzdáleností družic
20.2.2014
1) Metoda nebyla při vývoji systémů brána v potaz tvůrci systému, proto je zde označená jako sekundární.
Základní měrnou jednotkou vzdálenosti je 1 vlnová délka nosné vlny Délka v řádu prvních 10-tek centimetrů Měří se dvě komponenty vzdálenosti: Desetinný zbytek základní vlnové délky, který při měření vzniká. Celočíselný počet N vlnových délek, tzv. ambiguity1).
20.2.2014
1) český překlad nejednoznačnost. Ambiguity se užívá i v české GNSS terminologii.
1. Počáteční hodnota ambiguit (N) je neznámá! 2. Od počátku měření jsou sledovány změny v počtu N. 3. Po zjištěni N se změny v N započítají. 4. Fázový skok (angl. cycle slip) nastane při přerušení signálů k družici N je ztraceno! Řešení N se pomáhá například inicializaci přístroje na bodě o známých souřadnicích v bodě 1. Některé dnes používané metody měření tuto inicializaci již neužívají (RTK).
11
20.2.2014
20.2.2014
P(t) = |ΦSV – ΦREC| + λ . N + ε ε = SREC - δSV + δREC - Δiono + Δtropo δREC δSV Δiono Δtropo SREC
oprava hodin přijímače oprava hodin družice oprava vlivu ionosféry oprava vlivu troposféry ostatní chyby
Lki Φk - Φki Δktropi - Δkionoi cδi - cδ k λ Nik Si t2 t1
N+1.λ t0
N.λ Φ Φi λ N
N+3.λ
K jednoznačné lokalizaci je potřeba (HOF08):
fáze odvysílaného signálu fáze přijatého signálu vlnová délka celočíselný počet vlnových délek
20.2.2014
20.2.2014
Přesnost závisí na vlnové délce použité nosné vlny. Přesnost pseudovzdálenosti až v řádu milimetrů.
Pomocí kódových měření (za současné struktury vysílaných signálů) není možné dosáhnout přesnosti fázových měření ani při použití speciálních metod měření a vyhodnocení měření!
12
20.2.2014
20.2.2014
Velmi přesná metoda měření
20.2.2014
Časově náročná Technicky náročná Citlivá na rušivé vlivy během měření Po ztrátě signálů dlouhá doba inicializace Přístroje GNSS pro fázová měření jsou výrazně dražší než přístroje pro kódová měření
20.2.2014
DĚKUJI ZA POZORNOST
Princip kódových měření a dálkoměrné kódy Princip fázových měření Základní komponenty GNSS a jejich funkce
13
20.2.2014
20.2.2014
KAP05
MOH01
Kaplan, Elliott, D.: Understanding GPS: Principles and Applications, Second Edition, Artech House Publishers; 2 edition, 2005, pages 726, ISBN-10: 1580538940 Mohinder S. G., Lawrence R. W., Angus P. A.: Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration., John Wiley & Sons, Inc. 2001, pages 382, Printed ISBN: 9780471350323 Publikace je dostupná v rámci Knihovny VŠB-TUO na adrese: http://knihovna.vsb.cz/sluzby/e-knihy-wiley.htm
RAP02
Rapant, P,: Družicové polohové systémy – první vydání, VŠB – Technická univerzita Ostrava, stran 200, ISBN 80–248–0124–8 Publikace je dostupná ke stažení na adrese: http://gis.vsb.cz/publikace/dns-gps
Veřták, Ivo.: Rádiové určení polohy - prezentace, 2009, stran 80
CHR09
Christy, R.: Sattelite Tracking: Doppler Satellite Tracking – an Example, Zarya Soviet, Russian and International Space Flights
20.2.2014
VER09
Adrese: http://www.zarya.info/Tracking/Doppler.php
Hofmann-Wellenhof, Bernhard, Lichtenegger, Herbert, Wasle,Elmar: GNSS – Global Navigation Satellite Systems: GPS, GLONASS, Galileo, and more, Springer, 2008, pages 516, ISBN 9783-211-73017-1
20.2.2014
HOF08
Studijní opora k předmětu: GLOBÁLNÍ NAVIGAČNÍ A POLOHOVÉ SYSTÉMY
Princip dálkoměrných měření GNSS Prezentace 2 Verze 1.2 (revize PR)
David Vojtek Institut geoinformatiky Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava 2010 Prezentace by měla být používaná ve spojení se zdroji, které jsou v ní citované.
14
