Gps

GPS

NAVIGACIONI SISTEM ZA XXI VEK

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

1

GPS Navigacioni sistem za XXI vek Sadržaj

∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

Razvoj i opis sistema. Princip određivanje pozicije i merenje brzine pomoću GPS-a. Karakteristike i struktura GPS signala: C/A i P(Y) kod, navigaciona poruka, nivoi signala. GPS prijemnik. Tačnost merenja kod GPS-a: izvori greške merenja. Diferencijalni GPS. Perspektive razvoja i primene GPS.

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

2

Principi navigacije ∗

Osnov navigacije: merenje udaljenosti ili uglova između merne tačke i odgovarajućih referentnih prirodnih ili veštačkih objekata.

∗ Zvezdana navigacija - merenje uglova. ∗ Satelitska navigacija - merenje udaljenosti. ●

space-based,

●

radionavigacija,

●

merenje udaljenosti do satelita koji emituju radio signal, tj. merenje vremena potrebnog da signal sa satelita stigne do merne tačke koncept one-way time of arrival (TOA) ranging.

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

3

Razvoj GPS-a ∗

Generalno opredeljenje DoD USA 70-tih na tzv. Joint programe više vidova OS:

Global Positioning System (GPS) - 1973. GPS je trebao da ima sledeća obeležja:

∗ Globalno pokrivanje. ∗ Navigacija u 3 dimenzije. ∗ Besprekidnost u radu - u svim vremenskim uslovima. ∗ Mogućnost navigacijskog servisa za korisnike sa ∗ ∗

velikom dinamikom. Visoka preciznost. Otpornost na ometanje.

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

4

GPS - Kosmički, Kontrolni i Korisnički segment Kosmički segment Efemeridi, Kontrola, Clock data ULS MS • Diego Garcia • Ascension Island • Kwajalein • Hawai • (Cape Canaveral)

- Cape Canaveral - Ascension Island - Kwajalein - Diego Garcia

MCS AFB Falcon -Colorado Springs

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

5

Kosmički segment ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

1978.g. lansiran prvi satelit. Prvobitna koncepcija: 24 satelita, po 8 u tri 12-časovne kružne orbite sa inlinacijom 630 na visini 20.183km.

Aktuelna koncepcija sistema: 24 satelita raspoređenih u 6 orbita, po 4 satelita, Inklinacija orbitalnih ravni je 550 i međusobno su razmaknute 600 po geografskoj dužini. Orbitrirajući period je polovina sideričkog dana, tj. 11 h 58 min. Radijus orbite (udaljenost putanje satelita od centra mase Zemlje) iznosi 26.560km. ● povećanje konfiguracije na 27 pa na 30 satelita sa inicijalnom funkcijom rezerve u orbiti GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

6

Kosmički segment

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

7

Kosmički segment Više generacija satelita

∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

Navigation Tehnology Satelites (sa programa Timation). Block I (1978.-1985.). Block II (1989.). Block IIA (1990.). Block IIR (1996.) - 07.10.1999. lansiran SVN46/PRN11. Block IIF (2004.-).

∗

Sateliti su stabilisani u tri ose i koriste solarno napajanje kao osnovni izvor energije. Za lansiranje su korišćene rakete Atlas-F, Delta II i Challenger.

∗

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

8

Kosmički segment ∗

Obeležja satelita novije generacije Povećana autonomija u odnosu na zemaljske kontrolne stanice; ●

●

∗ ∗ ∗

Sateliti Block II imaju autonomiju 14 dana nakon čega greška koju prouzrokuju kosmički i kontrolni segment iznosi 161,1 m (pri dnevnoj komunikaciji greška je 5,5 m), Sateliti Block IIR imaju autonomiju 180 dana nakon čega je greška 7,4 m. To je ostvareno sa tzv. AutoNav funkcijom - intersatelitskom komunikacijom i merenjem međusobne udaljenosti GPS satelita.

Redudantni atomski časovnici. Duži životni vek. Povećana otpornost na zračenja koja potiču izvan GPS-a.

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

9

Kontrolni segment ∗ ∗ ∗ ∗

Funkcije Praćenje. Potrebni proračuni. Snabdevanja satelita podacima, i Monitoring funkcija satelita.

Glavna kontrolna stanica (Master Control Station, MCS)

∗ ∗

Vazduhoplovna baza Falcon - sada Schriever AFB (Colorado Springs). Na osnovu podataka dobijenih od monitorskih stanica vrši potrebne proračune (predikciju) za određivanje satelitskih efemerida i korekciju grešaka atomskih satelitskih časovnika te formira navigacionu poruku (Almanah). GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

10

Korisnički segment ∗ ∗ ∗

GPS PRIJEMNIK - potrebno je da se izmeri udaljenost do 4 i više satelita ⇒ da se primi signal sa 4 i više satelita. To je moguće: ● Paralelno (višekanalni GPS prijemnici), ● Sekvencijalno. Kombinovani prijemnici imaju npr. 4 paralelna kanala za prijem signala sa satelita koji imaju najbolju konstelaciju i 1 sa sekvencijalnom obradom koji prima signal sa ostalih vidljivih satelita na mernoj lokaciji,

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

11

Princip određivanja pozicije ∗

∗ ∗ ∗ ∗

Merenje udaljenosti do satelita koji emituju radio signal, tj. merenje vremena potrebnog da signal sa satelita stigne do merne tačke - koncept one-way. time of arrival (TOA) ranging. Primena PRN koda, tj. DSSS. Sinhronizacija satelita i prijemnika tako da generišu isti kod u isto vreme, sinhronizacija časovnika. Tada posmatramo primljeni kod iz satelita i upoređujemo pre koliko vremena je prijemnik generisao isti kod. Pojednostavljeno: za koliko vremena je signal prevalio put sat.prijemnik, kada je signal emitovan i sa koje pozicije. GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

12

Princip određivanja pozicije

ts Sa satelita

tk

izmeriti vremensku razliku između istih delova koda

U prijemniku GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

13

Princip određivanja pozicije ∗ ∗

∗

U praksi dovoljna su tri merenja! Jednu tačku možemo odbaciti kao besmislen odgovor, jer je ● tačka u svemiru, ● ili se kreće prevelikom brzinom. Četvrto merenje je ipak potrebno da bi se eliminisala greška koju unosi nedovoljno precizan časovnik u GPS prijemniku (časovnici na satelitima su veoma tačni, ali i veoma skupi). Greška časovnika od 1ms prouzrokuje grešku određivanja pseudoudaljenosti (udaljenost do jednog satelita) od 300km.

1ms  300km! GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

14

Princip određivanja pozicije Sa tri merenja dobijamo tačku!

4 sec

6 sec 8 sec

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

15

Princip određivanja pozicije Časovnik žuri

5 sec 7 sec

9 sec

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

16

GPS - princip određivanja pozicije

d2

s2

r s1

d=s-r

s3 d4

(xk, yk, zk, dk) d1

d3

s4

Earth-Centered Earth-Fixed (ECEF) koordinatni sistem GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

17

Odredjivanje pozicije ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

U konstalaciji sa 4 satelita imamo 4 jednačine čijim rešavanjem dobijamo xk, yk, zk i δ k. Primenjeni metod eliminiše zajedničku grešku u sva 4 merenja, tj. grešku časovnika u GPS prijemniku. Postoje i greške koje su nezavisne za svaki pojedinačni satelit: zbog refleksije signala (multipath), odstupanja putanje satelita od efemerida... Rešenje je u redudantnim merenjima - merenje udaljenosti do više od 4 satelita, imamo sistem od više jednačina nego nepoznatih, svako dodatno merenje sadrži nezavisnu komponentu greške. Povećanje tačnosti procene vrednosti nepoznatih ⇒ redudantna merenja ⇒ matematički metod procene najmanjih kvadrata. GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

18

Merenje brzine ∗

Merenje Doplerovog pomaka primljenog GPS signala ⇒ posledica relativnog kretanja satelita i prijemnika, ● Doprinos kretanja satelita izmerenom Dopleru uzima se u proračun iz efemerida,  vr a   ( vs − v k ) a  f R = fT 1 −  = fT 1 −  c  c   

a -jedinični vektor na LOS korisnik-satelit.

∗ ∗

Sa 4 merenja dobijamo sistem sa 4 linearne jednačine i 4 nepoznate (komponente brzine u ECEF sistemu i doprinos greške časovnika u prijemniku izmerenoj frekvenciji primljenog signala). Redudantna merenja kao i kod određivanja pozicije. GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

19

Koordinatni sistem ∗ ∗

Pravougle koordinate (X, Y, Z). Elipsoidne koordinate (φ, λ, H).

K

H

Z

∗

Eart-Centered EartFixed (ECEF) koordinatni sistem⇒ elipsoidni.

λ

Y

φ X

X GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

20

GPS - Karakteristike i struktura signala ∗ ∗

Jednosmerna komunikacija satelit-prijemnik.

∗

Nosilac L1 je modulisan sa navigacionom porukom (D) i sa dva PN koda: coarse acquisition C/A i precision P(Y)-kod. Nosilac L2 može biti modulisan sa P(Y), C/A⊕D ili sa P(Y)⊕ D. Standardno je aktivna modulacija sa P(Y)⊕D. Prijem oba signala L1 i L2 omogućava merenje jonosferskog kašnjenja koje prijemnik uzima u proračun prilikom određivanja pozicije i brzine. Prijemnici koji rade samo sa L1 signalom podatak o jonosferskom kašnjenju dobijaju u okviru navigacione poruke.

∗ ∗

Dva nosioca: primarni L1⇒1575,42MHz i sekundarni

L2⇒1227,6MHz, modulisani sa navigacionom porukom i PN kodom; SSDS+CDMA koncept.

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

21

GPS - Karakteristike i struktura signala

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

22

GPS - Karakteristike i struktura signala ∗ ∗ ∗ ∗

∗

C/A: kratki Gold kod dužine 1.023ch i protoka 1,023Mch/s. P kod: perioda 266,41 dana, protok 10,23Mch/s. Podeljen je na 7-dnevne segmente. Svakom satelitu je dodeljen po jedan segment koji sadrži 6,1871⋅1012 čipova i ponavlja se nedeljno. Precice Positioning i Standard Positioning Service (PPS, SPS). Onemogućavanje pristupa P-kodu ostvaruje se kriptovanjem, tj. aktiviranjem mehanizma zaštite od obmanjivanja prijemnika tj. antispoofing (AS) mehanizma. Tada govorima o Y-kodu. CDMA sistemi ⇒ kroskorelacione karakteristike kodova ⇒ signal sa j-tog satelita se pojavljuje kao ometački signal dok prijemnik akvizira ili prati signal sa i-tog satelita. GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

23

Navigaciona poruka ∗

∗ ∗

∗

Prvi podram (Blok 1) sadrži podatke koje generiše kontrolni segment GPS, a GPS prijemniku daje informaciju o greški časovnika dotičnog satelita u odnosu na GPS sistemsko vreme, i korekcioni parametar jonosferske propagacije (za prijemnike koji rade samo na jednoj frekvenciji). Blok 2 i Blok 3 sadrže podatke o orbiti satelita EFEMERIDI. Almanah (Blok 5) sadrži podatke o efemeridima, korekciji časovnika, stanju ispravnosti, uključujući i identifikacione parametre za sve satelite. Ovi podaci su nižeg nivoa preciznosti u odnosu na one iz blokova 1, 2 i 3, a koji se odnose na satelit koji ih emituje. Blok 4 je rezervisan za poruke koje korisnicima može emitovati kontrolni segment. GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

24

Nivoi signala ∗

∗ ∗ ∗ ∗

Garantovani minimalni nivoi GPS siganala na površini Zemlje: - L1 C/A -159,6 dBW - L1 P(Y) -162,6 dBW - L2 P(Y) -165,2 dBW Budžet snage za L1 C/A: za garantovani min. nivo, gubitke usled propagacije kroz slob. prostor (184,4 dB) i atmosferu (2 dB) zahtevani EIRP na satelitu je +26,8 dBW. Pri min. pojačanju predajne antene 13,4 dB (sateliti BLOK II), potrebno je da snaga signala L1 C/A na ulazu predajne antene satelita 21,88 W. Ako se isto izračuna i za signale L1 P(Y) i L2 P(Y), potrebna je ukupna snaga na ulazu u antenu od 32,6 W. Koliko ukupno snage treba obezbediti na satelitu zavisi od efikasnosti HPA. GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

25

GPS Prijemnik AGC N

2 ULAZNI POJAČAVAČ I FILTER

LO

RF/IF KONVERTOR

A/D KONVERTOR

SINTEZATOR

PROCESIRANJE NAVIGACIJSKIH PODATAKA

NAPAJANJE

KANAL 1 (“kondicioniranje” digitalnog IF signala i obrada u osnovnom opsegu

KORISNIČKI INTERFEJS

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

26

Tačnost merenja ∗

∗

∗ ∗

Standard Positioning Service (SPS): ● pozicija - 100m (2 drms, 95%) u horizontalnoj ravni, - 156m ( 95%) po vertikali, ● vreme - 340 ns (95%). Precise Positioning Service (PPS): ● pozicija - 22m (2 drms, 95%) u horizontalnoj ravni - 27,7 m (95%) po vertikali ● vreme - 200 ns (95%) ● brzina - 0,2 m/s (95%) drms - distance root mean square. 2drms - radijus kružnice koja obuhvata najmnje 95% rezultata merenja na bilo kojoj poziciji. GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

27

Tačnost merenja kod GPS ∗ ∗

Faktori koji utiču na tačnost merenja koGPS-a Greška merenja pseudoudaljenosti do pojedinačnih satelita. Relativna geometrija prijemnika u odnosu na satelite koji se uzimaju u proračun.

d2 s2

d3

s3 d4

d1

r

s4

s1

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

28

Izvori greške merenja pseudoudaljenosti ∗

Greška satelitskog časovnika - odstupanje atomskog časovnika od sistemskog vremena do 1 ms, tj. 976 µs (to se manifestuje kao greška određivanja pseudoudaljenosti od 300 km).

∗

MCS generiše korekcioni parametar koji se emituje u navigacionoj poruci preko satelita.

∗

Nakon primene korekcionog faktora u GPS prijemniku, rezidualna greška iznosi do 10 ns rms, ili prevedeno u grešku merenja pseudoudaljenosti 3 m.

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

29

Greške merenja pseudoudaljenosti Greška predikcije efemerida

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

30

Greške merenja pseudoudaljenosti Greška usled propagacije kroz atmosferu Jonosfera (50-500km) Troposfera (8-13 km)

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

31

Greške merenja pseudoudaljenosti ∗

∗ ∗

Relativistički efekti Opšta teorija se manifestuje kroz povećanje frekvencije signala koji se primiče centru gravitacije, tj. Zemlji, odnosno posledica je različitih gravitacionih potencijala predajnika i prijemnika. Specijalna teorija se odnosi na činjenicu da se i predajnik (sateliti) i prijemnik kreću. Dva navedena efekta se koriguju fiksnim smanjenjem takta časovnika na satelitu sa nominalnih 10,23 MHz na 10,2299999945 MHz i nema potrebe da se uvodi dodatna korekcija na strani prijemnika, odnosno navedeni efekti nemaju konačnog uticaja na tačnost merenja. GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

32

Greške merenja pseudoudaljenosti ∗ ∗

∗

Efekti koji se odnose na periodičnu promenu brzine satelita od apogeja do perigeja i perturbacije satelita zbog uticaja Sunca i Meseca (po Kepleru -gravitacija trećeg tela) kao i tzv. Sagnac efekat (radijalna promena pozicije prijemnika od trenutka emitovanja signala sa satelita do trenutka prijema, a kao posledica rotacije Zemlje), zahtevaju korekciju greške na strani GPS prijemnika na osnovu korekcionog faktora iz navigacione poruke (greška merenja pseudoudaljenosti može poprimiti vrednost 21m). Vrednost rezidualne greške uzrokovane relativističkim efektima je relativno mala i uglavnom se zanemaruje.

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

33

Greške merenja pseudoudaljenosti Sagnac efekat

Rx u trenutku prijema

Rx u trenutku emitovanja

rotacija Zemlje

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

34

Greške merenja pseudoudaljenosti ∗

Uticaj multipatha se otklanja ili umanjuje prvenstveno dizajnom antene GPS prijemnika, njenim pozicioniranjem i procesiranjem; odabirom signala sa satelita koji imaju elevaciju veću od kritične na mernoj lokaciji.

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

35

Greške merenja pseudoudaljenosti ∗ ∗ ∗ ∗

Selektivna raspoloživost - (Selective Availability (SA)) ograničenje tačnosti merenja pseudoudaljenosti za SPS korisnike ozvaničeno od DoD 25.03.1990.g. Ostvaruje se manipulacijom efemeridima i korekcionim faktorom za otklanjanje greške satelitskog časovnika. Greška koja se unosi u korekcioni faktor za satelitski časovnik je, verovatno, pseudoslučajnog karaktera sa periodom 4-12 minuta, a što se manifestuje kao greška merenja pseudoudaljenosti do 70 m. Manipulacija efemeridima se ostvaruje unošenjem greške u neki od 15 parametara koji se na njih odnose i deo su navigacione poruke. Navedena degradacija nije u operativnoj primeni.

Greška koju uzrokuje SA je izrazito veća od svih ostalih. GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

36

Greške merenja pseudoudaljenosti ∗

∗

U navigacionoj poruci koju emituju sateliti dat je i tzv. parametar preciznosti merenja udaljenosti (user range accuracy -URA). URA predstavlja očekivani maksimalni doprinos greške efemerida i satelitskog časovnika ukupnoj greški merenja pseudoudaljenosti (user equivalent range error -UERE). Za sve GPS satelite generacije Block II u navigacionoj poruci dato je da je URA=32 m, osim za satelite PRN 15 i PRN 28 za koje je URA=4 m. To verovatno znači da se na satelitima PRN15 i PRN28 ne primenjuje SA ili se primenjuje po posebnom algoritmu. Vrednost ukupne greške UERE izražava se kao koren sume kvadrata svih pojedinačnih grešaka merenja pseudoudaljenosti. GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

37

Greške merenja pseudoudaljenosti

Greška časovnika u GPS prijemniku nije razmatrana u sklopu analize izvora greške merenja pseudoudaljenosti što proizlazi iz matematičkog metoda određivanja pozicije koji navedenu grešku eliminiše.

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

38

Greške merenja pseudoudaljenosti GPS segment koji

Greška 1σ

prouzrokuje

Izvor greške

SPS C/A sa

SPS C/A bez

SA

SA

Stabilnost satelitskog časovnika

3

3

3

Perturbacije satelita

1

1

1

Selektivna raspoloživost (SA)

32,3

-

-

Ostalo (termička zračenja, ...)

0,5

0,5

0,5

Predikcije greške efemerida

4,2

4,2

4,2

Ostalo

0,9

0,9

0,9

Jonosfersko kašnjenje

5

5

2,3

Troposfersko kašnjenje

1,5

1,5

2

šum prijemnika i rezolucija

1,5

1,5

1,5

Višestruka propagacija

2,5

2,5

1,2

Ostalo

0,5

0,5

0,5

UKUPNO (rss)

33,3

8

6,6

grešku

Kosmički

Kontrolni

Korisnički

Sistemski UERE

(m) PPS

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

39

Faktor geometrije ∗

∗

Faktor geometrije, tj. uticaj relativnog položaja GPS prijemnika i satelita čiji signali se uzimaju u proračun prilikom određivanja pozicije na preciznost merenja, generalno se naziva Dilution of Precision (DOP) - rasipanje preciznosti. Faktor koji predstavlja relaciju između preciznosti merenja pozicije i vremena, i preciznosi merenja radijalne udaljenosti (pseudoudaljenosti), a zbog relativne geometrije, naziva se Geometric Dilution of Precision (GDOP). GDOP predstavlja multiplikator standardne devijacije greške merenja kao posledica relativne geometrije. GDOP =

σ x2 + σ y2 + σ z2 + σ c2δ σ UERE GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

40

Faktor geometrije

Oblast nesigurnosti širi se približavanjem satelita GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

41

Tačnost merenja kod GPS-a ∗ ∗

∗

Kod GPS prijemnika definiše se PDOP pri kojem određivanje pozicije u 3 dimenzije postaje neregularno i prelazi se na 2 dimenzije (PDOP>6). Prijemnik na osnovu parametra URA (koji dobija iz navigacione poruke) i izračunatog PDOP (za aktuelnu konstalaciju satelita) procenjuje grešku određivanja pozicije (EPE - Estimated Position Error) EPE=PDOP x URA npr. EPE=4,2 x 32 = 134,4m Uobičajeno prijemnik uz podatak o poziciji daje samo ocenu tačnosti merenja (Figure of Merit - FOM) kojom je definisan opseg procenjene greške, npr. za EPE<100m, FOM=4. GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

42

Diferencijalni GPS

∗ Poboljšanje

∗

preciznosti realizuje se primenom diferencijalnih tehnika koje eliminišu zajedničke (korelisane) greške kod GPS prijemnika koji “vide” iste satelite (SA). Diferencijalna korekcija se može primeniti u realnom vremenu ili u naknadnoj obradi . ● Code -based tehnike ● Carrier-based tehnike

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

43

Diferencijalni GPS u realnom vremenu

popravke

Referentna stanica na poznatoj tački

Real-Time Differential GPS (RT-DGPS) GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

44

Diferencijalni GPS ∗ ∗ ∗

∗

CODE-BASED tehnike DGPS Bazna stanica generiše popravke za sve satelite u vidnom polju. Pokretni GPS prijemnik koristi ove popravke da ukloni otklonjive greške. S obzirom da su neke od grešaka merenja pseudoudaljenosti prostorno korelisane, preciznost merenja primenom ovakve – lokalne diferencijelne tehnike (local area DGPS – LADGPS) opada sa povećanjem udaljenosti od referentne stanice. U tom slučaju rešenje je u formiranju mreže referentnih stanica povezanih odgovarajućom nivovskom arhitekturom wide area DGPS (WADGPS) može da obezbedi tzv. metarsku preciznost. GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

45

Diferencijalni GPS ∗

∗ ∗ ∗

CARRIER-BASED tehnike DGPS Za postizanje submetarske preciznosti (20 cm kod pokretnih platformi i milimetarska kod statičnih aplikacija) koriste se DGPS tehnike bazirane na interferometarskim merenjima frekvencije nosioca. Osnovni princip je da se procenjuje faza nosioca i razlika u broju perioda signala (n x λ)nosioca duž trase satelitref.stanica i satelit-udaljeni prijemnik. Primena interferometarske tehnike DGPS obezbeđuje avionima tzv. slepo sletanje (kategorija III) -proračun relativne pozicije aviona u odnosu na pistu. Značajna primena kod premera zemljišta (merne tačke ne moraju biti optički vidljive), kod seizmoloških ispitivanja... GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

46

Diferencijalni GPS

Carrier-phase DGPS

lC/A=19 cm lP=24 cm

Bazna stanica - poznate koordinate

N=?

Za real-time potrebna je radio komunikacija kako bi BS slala podatke o merenjima faze nosioca udaljenoj stanici, a za potrebe proračuna bazne linije BS-US

Šta vam je potrebno? < 1m High Quality Mapping Grade Service - SPSDGPS

< 12m PPSP(Y) Code GPS

< 1/2cm Bazna stanica

< 1cm Real-Time Kinematic (RTK) SurveyingCarrier Phase tehnika u realnom vremenu

Carrier Phase tehnika sa naknadnom obradom podataka

< 2m Mapping Grade Service - DGPS (C/A code)

< 50 m SPS C/A Code GPS (drms, 67%)

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

48

Primeri različitih potreba tačnosti Kodna merenja (Code Phase GPS) ∗ 40 m - Pomorska navigacija ∗ 10 m - Avio navigacija ∗ 2 m - Registracija GIS podataka - vangradska područja ∗ 1 m - Registracija GIS podataka - gradska područja Fazna merenja (Carrier Phase GPS) ∗ 1 cm - Obeležavanja ∗ 1/2 cm - Geodetske mreže

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

49

Perspektive GPS-a

∗

Predsednička direktiva 1996. ⇒ ciljevi politike razvoja GPS-a: ● jačanje nacionalne bezbednosti, ● hrabrenje civilne, komercijalne i naučne primene GPS-a u svetu, ● podsticaj privatnog sektora za investicije i primenu GPS tehnologije i servisa, ● promocija na polju bezbednog i ekonomičnog transporta, ● promocija međunarosdne kooperacije na primeni GPS-a u civilne svrhe, ● unapređenje naučnih i tehničkih mogućnosti SAD.

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

50

Perspektive GPS-a ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

∗ ∗ ∗

Dugoročno opredelenje DoD za satelitsku navigaciju (Joint Vision 2010). Ekspanzija neautorizovane i civilne primene Najava ukidanja SA pre 2006.g. -ukinuto 01/02.05.2000. DGPS, GPS+GLONASS, WAAS (INMARSAT-3). Plan modernizacije GPS (Gor 30.03.1998): emitovanje C/A koda i na L2 kanalu i uvođenje novog signala za civilne korisnike (1.176,45 MHz)- sa lansiranjem novih satelita Block IIF tokom narednih 10-20 godina (sateliti koji će se lansirati od 2005.g.) . Emitivanje M koda na L1/L2, Earth i spot beem , +20dB Primena u misijama NASA -e u bliskom kosomosu (iznad 17.000 km). NAVWAR. GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

51

Project 2005 Relacija koja opisuje odnos OS SAD i GPS prelazi iz kategorije oslonca u kategoriju zavisnosti! 90% 80% 70% 60%

Required Installs Complete as of 30 Sep 05: DOD 98% of 55,282 systems Army 98% of 40,232 systems Navy 98% of 9,574 systems Air Force 93% of 5,476 systems

50% 40% 30%

Army Percent Complete Navy Percent Complete Air Force Percent Complete DOD Percent Complete

20% 10%

FY06+

FY06

FY05

FY04

FY03

FY02

FY01

FY00

FY99

FY98

FY97

FY96

0% PRIOR

Percent of Required Installs Complete

100%

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

52

Planirana modifikacija GPS-a aktuelno stanje P(Y)

C/A P(Y)

L2

L1

1227.6 MHz

1575.42 MHz

Signals in Spaces Block IIRs (12 SV’s) • Adds Coarse Acquisition C/A C/A (C/A) to L2 M-code M-code • Adds new military P(Y) P(Y) code (M-Code) to L1/L2 • Increases signal L2 L2 L1 L1 power (3-5 dB) 1227.6 MHz 1575.42 MHz • P(Y) = Precise Encrypted Signal Signals in Spaces Adds civil L5 to all Block IIFs

C/A M-code P(Y)

Pursue optimum approach for +20db L5 L2 M-code power 1176.45 MHz 1227.6 MHz increase civilna avijacja

C/A M-code P(Y)

L1 1575.42 MHz

Plan modernizacije GPS-a je u skladu sa najavom Bele Kuće o uvođenju novog spektralno odvojenog vojnog kanala, a zatim dodatnih civilnih servisa.

M signal • Otpornost na ometanje kroz povećanje snage. • Rad u postojećim-dodeljenim frekvencijskim opsezima. • Kompatibilnost sa korisničkom opremom koja koristi C/A i Ykodove. • Robusna i autonomna akvizicija. • Bezbednosni aspekt (ekskluzivnost, zaštićen pristup). • Operatvna fleksibilnost. • Akvizicije ne ide preko civilnog kanala - direktna akvizic. • Smanjeno vreme za emitovanje Almanaha sa 12.5 min na 100 sec - poboljšanje preko 1000%. • Smanjenje vremena za prvi “fix” preko 100%. GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

54

Lansiranje po planu modernizacije FY00

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10

4

3

3

4

3

1

4

11

12

13

14

15

Launches per Fiscal Year:

2

1

3

3

1

3

3

3

3

Basic IIR IIR-M Jan 03 Oct/Dec 09

IIF Lite Oct 05 EMD Launches

GPS III Switch to Ops GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

55

GPS Korisnička oprema danas 2

1

3

4 8

6

7

17

5 11

9 15

10 10

12

13

16

1. Combat Survivor/Evader Locator (CSEL) 2. GPS Receiver Applications Module (GRAM) with SAASM 3. Selective Availability Anti-Spoofing Module 4. (SAASM) 5. Precision Lightweight GPS Receiver (PLGR) 6. FRPA Ground Plane (FRPA-GP) 7. Standard Control Display Unit (CDU) 8. Receiver 3S GPS Antenna System (GAS) -1

14 18

9. 10 . 11 . 12 . 13 . 14 .1

Controlled Radiation Pattern Antenna (CRPA) Fixed Radiation Pattern Antenna (FRPA) Miniature Airborne GPS Receiver (MAGR) Receiver OH (MIL-STD-1553) Receiver UH (ARINC 429) Receiver 3A Antenna Electronics AE-4 Antenna Electronics AE-1/AE-1A Embedded GPS / INS (EGI) Doppler-GPS Navigation System (DGNS) GPS –Navigacioni sistem za XXI vek 56

Korisnički segment Platforme na koje se ugrađuje MAGR2000

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

57

Korisnički segment i primena SEM-E

VME

PCMCIA

SSI

PGM

Projectile

Potential Host Platform Insertion

MAGR 2000/ EGI / DGNS

NAVSSI

MTS

DAGR

GMLRS

ERGM

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

58

Trend razvoja GPS tehnologije Card (GRAM, other)

WE ARE HERE

Card (GRAM/SAASM, other) EC 01 77 9

-T

C

(3A/3S, MAGR, etc.)

3R -TC

Box

Software Code

Chip GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

59

Aktuelna tehnologija - Antene

∗ ∗ ∗

Adaptivni uskopojasni filteri; ● otklanja “in-band” ometačke signale ● neefikasni u slučaju širokopšojasnog ometačkog signala Adaptivne antene (sa N elemenata - “nulovanje” N-1 ometača) ● Digitalna obrada. Space Frequency/Time Adaptive Processing (STAP/SFAP) ⇒A/J tehnika; razvijeno i preuzeto sa radarskih aplikacija ● kod primene ručnih uskopojasnih i širokopojasnih ometača ● zahteva digitalnu obradu ● kompatibilno sa “beamsteering” tehnikama. ●

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

60

Aktuelna tehnologija - Prijemnici

∗

GPS/IMU ● otklanja slabosti konvencionalih petlji za praćenje ● antiometačke performanse ● povećanje tačnosti ● bezprekidnost navigacije ● otpornost na probleme višestruke propagacije i slabljenja ● Cost-effective aplikcija za većinu korisnika ● zahteva softwerske modifikacije sa odgovarajućom GPS arhitekturom ● STAP/SFAP je kompatibilno sa GPS/IMU

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

61

GPS nije pod našom kontrolom! Koristiti ga ili ne?

∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗

Prihvaćen status “dual-use” tehnologije. GPS postaje globalni navigacijski i vremenski standard. Ima obeležja prirodnog resursa. Ekonomski interesi proizvođača opreme i agencija koje prodaju usluge i derivate na bazi GPS tehnologije. Ukidanje SA i pomeranje bezbednosnog težišta ka EW i SA na regionalnoj osnovi. EW je problem i za vlasnika GPS-a – NAVWAR. Ne postoji dostojna alternativa. Više od 4 miliona korisnika GPS u svetu! Povećanje prometa na tržištu GPS opreme u sledeće 3 godine sa 8 na 16 milrd. US$ GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

62

GALILEO

∗Projekat GALILEO je evropski odgovor na GPS. ∗Još 1994. godine Evropska svemirska agencija je u saradnji sa Evropskom Unijom odlučila da se upusti u grandiozni poduhvat izgradnje sopstvenog globalnog sistema satelitske navigacije, pod imenom GALILEO, koji bi trebalo da bude tehnološki superiorniji od oba postojeća sistema te vrste u svetu, američkog GPS-a i ruskog GLONASS-a. GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

63

GALILEO

∗

Osnovna prednost budućeg evropskog sistema je u tome što će on biti pod civilnom kontrolom i služiti isključivo za civilne namene i unapređenje kvaliteta svakodnevnog života: ● ●

∗ ∗

za kontrolu i unapređenje svih vrsta saobraćaja na kopnu, moru i u vazduhu, za precizno lociranje bilo kakvih objekata ili tačaka, bilo gde na zemaljskoj kugli i to sa tačnošću koja će se meriti centimetrima.

Očekuje se da će evropska satelitska mreža proraditi 2008. godine. GALILEO nije samo konkurencija GPS-u. Globalni navigacioni satelitski sistem koji će tada činiti GPS i GALILEO imaće 57 raspoloživih satelita, pa će kvalitet, pouzdanost i raspoloživost pozicioniranja biti znatno povećani. Prijemnici će pouzdano raditi i u "urbanim kanjonima", kao i na drugim mestima sa lošim prijemom na kojima se to sa današnjim brojem GPS satelita ne može postići. GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

64

GALILEO

∗ Računa se da će osim već standardnih korisnika

∗

ovakvih usluga (u transportu kopnom, morem ili vazduhom), ili u pojedinim privrednim granama, ova oblast doživeti pravu revoluciju kada se satelitske komunikacije uskoro bolje povežu ne samo sa kućnim kompjuterima, nego i sa mobilnom telefonijom. Veruje se da bi već do 2010. godine u čitavom svetu moglo biti milijardu i osam stotina miliona potencijalnih korisnika zainteresovanih za ovu vrstu usluga, a da bi do 2020. godine njihov broj mogao biti i udvostručen. GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

65

GALILEO

∗

Arhitektura GALILEO sistema će omogućavati: ● ● ●

∗ ∗

Prilagodljivost zahtevima korisnika kao i trendovima na tržištu Minimiziranje razvojnih i operativnih troškova Interoperabilnost sa postojećim sistemima, naročito sa GPS-om, dok će istovremeno održavati autonomiju i konkurentnost.

Centralnu komponentu GALILEO sistema čini 30 MEO satelita (27 aktivna + 3 rezervna) koji će biti raspoređeni u tri orbitalne ravni na visini od 23616 km. U svakoj orbitalnoj ravni nalaziće se jedan rezervni satelit koji može da se pomeri na poziciju bilo kog satelita u istoj ravni ako dođe do otkaza. Sistem će imati dva GALILEO kontrolna centra locirana na području Evrope.

GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

66

GALILEO

∗ Oni će imati funkcije: ● ● ●

održavanja satelita u njihovom položaju sinhronizovanja atomskih časovnika na satelitima skupljanja, obrade i procesiranja podataka o unutrašnjim i spoljašnjim elementima sistema

∗ Ono što razlikuje GALILEO od GPS-a je tzv.

informacija o integritetu ili o kvalitetu signala u prostoru. Ova informacija će se prenositi zajedno sa navigacionim signalom što dozvoljava primenu GALILEO sistema u službama gde je bezbednost osnovni uslov. GPS –Navigacioni sistem za XXI vek

67