Download - GPS Zastita Skripta
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
1/52
Geoinformacione
tehnologije i sistemihttp://ccd.ns.ac.yu/aus/gis2/gitis.htm
vebe 1. deo
Global Positioning System
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
2/52
Global Positioning System (GPS)
Globalni sistem za pozicioniranje GPS je radionavigacionisistem formiran od konstelacije 24 satelita i njihovih zemaljskihstanica
Jednosmerni (pasivni) sistem Odreivanje pozicije sa tanou od jednog metra Upotrebom naprednih tehnika mogue je ostvariti preciznost
ispod jednog centimetra
Pozicija take se odreuje metodom trilateracije
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
3/52
Navigacija pre GPS-a
Kamene oznake: lokalna jurisdikcija, pomeranje i egzistencija belega
Na osnovu zvezda: komplikovano, ograniena preciznost, moguesamo po vedroj noi
Pomou kompasa: veoma komplikovano, zavisi od mernih alata, brzaakumulacija greke
Ostale tehnike bazirane na radio signalima: mala preciznost, podlone
ometanju, interferenciji radio talasa, geografskim preprekama, osetljivena pomeranja prijemnika
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
4/52
Istorijat GPS-a
1973 zapoet projekat razvoja u amerikom ministarstvuodbrane
1974 - lansiran prvi satelit 1993 dostigao poetnu operativnu sposobnost 1995 - dostigao punu operabilnost 1996 - postao dostupan civilnim korisnicima 2001 - ukinut selektivni pristup
TROKOVI: ~ 6.3 milijardi $ - za razvoj ~750 miliona $ godinje za odravanje
PRIHODI: ~6.2 milijarde $ godinje, u periodu 1997-2000. ~50 milijardi $ - procena ukupnih prihoda do 2010.
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
5/52
Segmenti GPS
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
6/52
Svemirski segment
Sastoji se od 24 satelita u funkciji i 3 rezervna Sateliti su rasporeeni u 6 orbitalnih ravni, po 4 u svakoj ravni
Orbite satelita su na y20300 km od povrine Zemlje
U svemiru se nalaze i sateliti za diferencijalnu korekciju
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
7/52
Kontrolni segment
Sastoji se od glavne kontrolne stanice,stanica za nadgledanje izemaljskih antena
Zadatak kontrolnog segmenta: nadzor i korekcija putanje satelita
praenje stanja podsistema na satelitima auriranje navigacione poruke
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
8/52
Korisniki segment
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
9/52
Zato koristiti GPS?
Nezamenljiv u modernoj navigaciji
Neki ranije nedostupni ili vrlo teko dostupni servisi postajumogui
Kod premera, utede u vremenu mogu biti i do 75%
Automatsko upravljanje mainama i vozilima
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
10/52
GPS signal
Signal koji se emituje sa satelita sastoji se od tri komponente:nosilaca, PRN kodova i navigacione poruke.
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
11/52
Nosilac (Carrier)
Osnovni takt je sinusni signal f0=10.23 MHz. Generiu gacezijumski i rubidijumski oscilatori. Stabilnost je 10-13 preko stodana.
Nosioci su prostoperiodini sinusni signali koji se emituju na dvefrekvencije:
L1=1575.42 MHz, naziva se i L1 Band. Dobija se mnoenjemosnovne frekvencije sa 154 (f0*154). Talasna duzina iznosipriblino 19 cm.
L2=1227.6 MHz, naziva se i L2 Band. Dobija se mnoenjemosnovne frekvencije sa 120 (f0*120). Talasna duina iznosipiblino 24.4 cm.
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
12/52
PRN kodovi
PRN (Pseudo-Random Noise) kodovi:
C/A kod (Coarse/Acquisition) - dostupan je civilnim korisnicima.
Modulie se navigacionom porukom i emituje samo na frekvenciji L1.
P kod (Precise) - je enkriptovan i dostupan samo vojsci SAD. Moduliese navigacionom porukom. Emituje se na obe frekvencije.
C/A kod se generie Linear Feedback Register algoritmom, ipredstavlja sekvencu binarnih cifara.
Iako je deterministiki, zbog dobrih statistikih osobina (kao belium), naziva se pseudosluajan.
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
13/52
Navigaciona poruka
Navigaciona poruka generie se na taktu
od 50bps. Emituje se na obe frekvencije.Sadri: podatke o putanjama satelita (efemeride)
korekcije asovnika status sistema
model jonosfere.
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
14/52
Komponente GPS signala
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
15/52
Kodno i fazno merenje (1)
Merenje se svodi na odreivanje vremena koje je potrebno dasignal prevali put od satelita do prijemnika.
S obzirom na to koji deo GPS signala se koristi za odreivanjevremena razlikujemo dve vrste merenja: Kodno merenje koriste se kodovi (C/A ili P)
Fazno merenje koristi se nosilac
Mnoenjem dobijenog vremena sa brzinom prostiranja signala(brzina svetlosti) dobija se udaljenost od satelita do prijemnika.
Ovako odreena udaljenost se naziva pseudorastojanje.
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
16/52
Kodno i fazno merenje (2) Prijemnik generie istu kodnu sekvencu kao i satelit. Poreenjem ove dve
sekvence odreuje se vreme koje je bilo potrebno da signal stigne sa satelitado prijemnika.
Metoda kojom se vri poreenje zove se autokorelacija.
Usled postojanja malih razlika u irinama impulsa greka pri kodnom merenjumoe iznositi i 300 m, ali se primenom odgovarajuih algoritama svodi na 3-6m.
Kodno merenje se koristi za navigaciju, praenje objekata i manje preciznamerenja.
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
17/52
Kodno i fazno merenje (3)
Za preciznija merenja (u geodeziji, geologiji, itd) mora se koristitifazno merenje.
Razlog preciznosti faznog merenja je mala talasna duinanosilaca (19cm i 24.4cm)
Javlja se problem neodreenosti (ambiguity) utvrivanja kolikoperioda nosioca je primljeno.
Pri faznom merenju, prvo se pomou koda odredi priblinavrednost, a potom se odredi broj primljenih perioda i fazanosioca.
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
18/52
Trilateracija
Odreivanje pozicije take u trodimenzionalnom prostoru vri setrilateracijom.
Taka se nalazi u preseku najmanje tri sfere iji su poluprenici
izmerena rastojanja od prijemnika do satelita.
i i )
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
19/52
Raunanje pozicije (1) Ri rastojanje od prijemnika do i-tog satelita (poznato)
xi,yi,zi koordinate satelita (poznato)
X, Y, Z koordinate prijemnika (nepoznato)
i=1..3222)()()( ZzYyXxR iiii ++=
Posle kvadriranja izraza dobijamo:
iiiiiii ZzYyXxzyx
r
ZYXR 222222
2
2222+++++= 44 344 21
r poluprenik Zemlje
Sreivanjem izraza dobijamo:
iiiiiii ZzYyXxrzyxR 222)(22222 =++
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
20/52
Raunanje pozicije (2)
Ukoliko ze u obzir uzme odstupanje asovnika, prethodni izrazise modifikuju:
iiiiiii ZzYyXxCrrrzyxR 222)(22222 =++
Crr korekcija odstupanja asovnika
Zbog uvoenja etvrte promenljive potrebni su podaci i saetvrtog satelita:
444
22
4
2
4
2
4
2
4
333
22
3
2
3
2
3
2
3
22222
222
22
22
111
22
1
2
1
2
1
2
1
222)(
222)(
222)(
222)(
ZzYyXxCrrrzyxR
ZzYyXxCrrrzyxR
ZzYyXxCrrrzyxR
ZzYyXxCrrrzyxR
=++
=++=++
=++
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
21/52
Raunanje pozicije (3) Sistem jednaina u matrinoj formi:
UMR
Crr
Z
Y
X
zyx
zyx
zyx
zyx
rzyxR
rzyxR
rzyxR
rzyxR
=
=
++
++
++
++
1222
1222
1222
1222
)(
)(
)(
)(
444
333
222
111
22
4
2
4
2
4
2
4
22
3
2
3
2
3
2
3
22
2
2
2
2
2
2
2
22
1
2
1
2
1
2
1
Reenje sistema:RM
Crr
Z
Y
X
U
MUMRM
1
11
=
=
=
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
22/52
Izvori greaka
Izvori greaka merenja se mogu podeliti u
etiri grupe: Sistem
Atmosfera
Okolina
Prijemnik
k k d
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
23/52
Greke koje potiu od satelita (1)
Greka pozicije satelita
Orbite satelita (efemeride) se izraunavaju svakih satvremena na osnovu putanje satelita u protekla etiri sata
Tipino, greka pozicije je od 2 do 5 metara (maksimalno50 metara sa ukljuenom SA)
Moe se znaajno umanjiti korienjem diferencijalnekorekcije
Priblina procena uticaja na odreivanje pozicije:
satelitadorastojanje
satelitapozicijegreka
linijebazneduina
linijebaznegreka
__
__
__
__
=
G k k j i d li (2)
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
24/52
Greke koje potiu od satelita (2)
Selektivna pristupnost(Selective Availability - SA)
Namerno degradiranje GPS
signala. Unosi se greka u C/A kod, iz
bezbednosnih razloga.
Greka merenja pozicije priukljuenoj SA je iznosila i do 100m
Moe se eliminisati korienjemdiferencijalne korekcije.
Ukinuta 2000. godine.
G k k j i d li (3)
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
25/52
Greke koje potiu od satelita (3)
Greka asovnika
Svaki satelit ima ugraena etiri atomska asovnika 1 aktivni i 3
rezervna
Greka ovih asovnika je od 8,64 do 17,28 ns, to odgovararastojanju od 2,59 do 5,18 m.
Zbog velike brzine kretanja satelita i slabijeg gravitacionog polja,na rad asovnika uticaj imaju i relativistiki efekti, usled kojihgreka merenja rastojanja moe iznositi i do 38s/dan to
odgovara rastojanju od preko 11km.
Navigaciona poruka sadri informaciju o korekciji asovnika.
G k l d i j f
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
26/52
Greke usled uticaja atmosfere
Brzina propagacije signala je manja kroz atmosferu nego krozvakuum Jonosfera dodatno utie na propagaciju usled velike
koncentracije naelektrisanih estica. Dolazi do disperzije i
prelamanja signala. Uticaj zavisi od frekvencije. Greka iznosi 5-15 m Umanjuje se korienjem dvofrekventnih ureaja, ili empirijskih
modela jonosfere Pored jonosfere uticaj ima i troposfera, ali ne zavisi od
frekvencije Dve komponente: suva i vlana (dry, wet)
Suva komponenta se moe predvideti Vlana komponenta zavisi od isparenja i teko se moe
predvideti
Greke usled uslova merenja
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
27/52
Greke usled uslova merenja
Multipath (viestruka refleksija signala) prijemnik registruje i deosignala koji ne stie do njega pravolinijski. Unosi greku od 5cm donekoliko metara. Definie se elevaciona maska da bi se eliminisali satelitikoji su nisko na horizontu i ija je putanja signala ometana objektima,
vegetacijom i reljefom.
EMI (ElectroMagnetic Interferrence) elektromagnetne smetnje, emitujuih elektrini uredjaji (motori, transformatori)
Vegetacija moe doi do degradacije signala u uslovima gustevegetacije
G k ij ik
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
28/52
Greke u prijemniku
Greke nastale pri radu prijemnika:
asovnik kvarcni oscilator, rauna se korekcija
Numeriko raunanje zbog rada sa konanim skupombrojeva
Kanjenje u elektronskim komponentama realnekarakteristike elektronskih kola
Varijacija faznog centra antene
Geometrija satelita (1)
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
29/52
Geometrija satelita (1)
DOP (Dilution Of Precision) smanjenje preciznosti usledprostornog rasporeda satelita
to su sateliti na meusobno manjem rastojanju DOP je vei
Geometrija satelita (2)
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
30/52
Geometrija satelita (2)
PDOP Position Dilution Of PrecisionNeimenovani broj koji opisuje uticaj poloaja satelita na tanost
pozicije
HDOP Horizontal Dilution Of PrecisionVDOP Verical Dilution Of Precision
TDOP Time Dilution Of Precision
GDOP Geometric Dilution Of Precision
Problem se prevazilaziProblem se prevazilazi
planiranjem merenjaplaniranjem merenja(Mission Planning)(Mission Planning)
Dif ij l k k ij (1)
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
31/52
Diferencijalne korekcije (1)
Rastojanje od satelita do prijemnika odmereno pomou koda pseudorastojanje (pseudorange)
Odreivanje pozicije samo pomou satelita autonomnomerenje
Maksimalna preciznost autonomnog merenja je reda metra
Za odreene primene potrebna je ve
a preciznost
Dif ij l k k ij (2)
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
32/52
Diferencijalne korekcije (2)
Ako dva GPS prijemnika prate iste satelite i nalaze se na odreenomrastojanju greke merenja su veoma sline
Ako je poznata tana pozicija jednog prijemnika, moe se odreditiodstupanje merenja njegove pozicije
Primenom izraunatog odstupanja na koordinate drugog prijemnika,poveava se tanost merene pozicije
Izraunato odstupanje se naziva diferencijalna korekcija
Nain merenja se naziva relativno pozicioniranje
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
33/52
Diferencijalne korekcije (3)
Prijemnik ija je pozicija poznata je nepokretan i naziva se bazaili referentna stanica
Prijemnik ija tana pozicija nije poznata moe da se kree inaziva se rover
Imaginarna linija koja spaja bazu i rover se naziva bazna linija
Koriste se fazna merenja
Kljuno je razreiti neodreenost (ambiguity)
Diferencijalne korekcije (4)
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
34/52
Diferencijalne korekcije (4)
Diferencijalne korekcije (5)
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
35/52
Diferencijalne korekcije (5)
Izvori diferencijalnih korekcija: Drugi GPS prijemnik postavljen na taku poznatih koordinata. Mrea permanentnih stanica Augmentacioni sistemi:
WAAS (Wide Area Augmentation System) LAAS (Local Area Augmentation System) EGNOS (European Geostationary Navigational Overlay Service)
Preuzimanje diferencijalnih korekcija: U realnom vremenu korienjem razliitih komunikacionihkanala: Radio-modem GSM GPRS
Naknadna obrada (Post-processing) diferencijelne korekcije seprimenjuju nakon obavljenog snimanja na terenu. Podaci koji e seprimeniti (podaci sa baze) moraju biti prikupljeni u istom vremenskom
intervalu kada i podaci sa terena (rover).
Hardver GPS ureaja
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
36/52
Hardver GPS ureaja Delovi GPS ureaja:
Antena
Pretpojaavaki stepen
RF stepen
Procesor Interface
Medij za uvanje podataka
Napajanje
GPS antena, pretpojaavaki i
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
37/52
GPS a te a, p etpojaava
RF stepen, procesor Uloga antene je da filtrira, pojaava i pretvara dolazee signale u
elektrine impulse koji ce potom biti obradeni u RF jedinici Karakteristike GPS antene:
Omnidirekciona antena Sposobnost prikupljanja i razlikovanja veoma slabih signala Rad na jednoj ili obe frekvencije nosioca
Otpornost na varijaciju faznog centra i multipath Funkcije pretpojaavakog stepena
Pojaanje signala iz antene Filtriranje signala Konverzija frekvencije
RF stepen (Radio Fequency) - obrada GPS signala Procesor kontrolni deo uredjaja, vri izdvajanje digitalnih
podataka iz GPS signala i kontrolie rad RF stepena.
Interface
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
38/52
Interface
Ulazni moduli: Tastatura Ekranski tasteri (touch-screen)
Izlazni moduli:
Displej
Komunikacioni portovi:
Serijski (RS 232) USB Bluetooth
Skladitenje podataka
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
39/52
Skladitenje podataka
Permanentni mediji: Diskete i trake
Solid-state RAM
Memorijske kartice
Napajanje Izvori jednosmerne struje:
Interni - punjive baterije (NiCd, NiMH, LiIon) Eksterni eksterne baterije, akumulator
Tipovi GPS prijemnika
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
40/52
Tipovi GPS prijemnika
Podela prema iskorienju signala: Jednofrekventni kodni prijemnici
Kodni i fazni jednofrekventni prijemnici
Dvofrekventni prijemnici
Podela prema nainu kori
enja Runi (hand-held)
Geodetski (montiraju se na razlicite stative)
Namenjeni ugradnji u druge ure
aje (embedded)
Primena GPS-a
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
41/52
Primena GPS a
Na kopnu: Geodetski premer terena
Graevinarstvo
Saobraaj
Poljoprivreda
Rudarstvo
Na moru: Navigacija blizu obale i na otvorenom moru Operacije spaavanja
Pozicioniranje objekata na moru
Geofizika, hidrografska i druga merenja U vazduhu:
Prilaz aerodromima i sletanje
Navigacija Vazduna fotogrametrija
Geodetski premer terena (1)
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
42/52
p ( )
U zavisnosti od tanosti postoje tri nivoa premera:
Nauni (greka
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
43/52
p ( )
Mane GPS u odnosu na konvencionalne metode premera: Oteana upotreba na mestima gde je slab prijem signala
Transformacija koordinatnog sistema
Velika cena GPS sistema
Neophodno prevoenje visine sa elipsoidne na nadmorsku
Graevinarstvo
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
44/52
Izgradnja puteva Iskolavanje Postavljanje prefabrikovanih
elemenata
Izgradnja mostova, brana ... Precizna navigacija na gradilitima Detekcija i mapiranje infrastrukture Precizno merenje deformacija
Saobraaj
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
45/52
j
Navigacija putnikih i teretnih vozila Praenje vozila i drugih pokretnih objekata
ITS (Inteligent Transport Systems) Fleet management
Poljoprivreda
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
46/52
j p v d
Precizna poljoprivreda korienje GPS
tehnologije i GIS u poljoprivredi
Navigacija poljoprivrednih maina
Uzorkovanje zemljita
Mapiranje parcela
Rudarstvo
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
47/52
Rudarstvo
Upotreba na povrinskim kopovima: Precizno postavljanje eksplozivnih punjenja Navigacija i praenje maina
Vo
enje utovara Premer terena na kopu
Glonass
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
48/52
Ruski satelitski sistem, pandan GPS-u
Prvi satelit lansiran 1982.
1996. konstelaciju inilo 24 satelita
2001. broj satelita u orbiti 7
Avgusta 2001. ruska vlada je prihvatila program razvojasatelitskog navigacionog sistema
2008. sistem bi trebalo da postane funkcionalan sa 18 satelita 2010. treba da se kompletira konstelacija od 24 satelita
U razvoj je ukljuena i Indija
Glonass
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
49/52
Kao kod GPS sistema, i Glonass signal sadri dva koda: C/A i Pkod.
Kodovi su identini za sve satelite.
Emituju se brzinom od 0.511 Mbps (C/A kod) odnosno 5.11Mbps (P kod).
Navigaciona poruka je takoe sadrana u signalu. Emituje sebrzinom od 50 bps.
Sadraj navigacione poruke je kao kod GPS signala, ali ukljuujei raspored kanala (koji satelit emituje signal na kojoj frekvenciji).
Galileo
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
50/52
Satelitski sistem razvijen za civilnu upotrebu
1999. ujedinjeni evropski koncepti satelitskih sistema
2003. zvanino poeo razvoj
Predvieno je da do 2010 u orbiti bude 30 satelita i da budepotpuno operativan
Prvi satelit lansiran decembra 2005.
Modernizacija GPS-a
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
51/52
j
2000. godine zapoeta je modernizacija GPS-a
Uveden je novi signal L2C (C/A kod na L2 frekvenciji) koji seemituje sa Block IIR-M i novijih satelita
Predvieno je da se uvede i novi signal namenjen za vojnu
upotrebu, M kod, na obe frekvencije
Signal na novoj frekvenciji (L5=1176.45 MHz) e biti uveden od2008. godine
GNSS
-
8/2/2019 GPS Zastita Skripta
52/52
Global Navigational Satellite System
Predstavlja istovremenu upotrebu svih raspoloivihsatelitskih sistema
Budunost satelitskih sistema
GNSS ureaji ve dostupni, ak i na naem tritu