satelitska navigacija

MJEŠOVITA SREDNJA ŠKOLA„STJEPANA RADIĆA“

USORA

ZAVRŠNI RADIZ VF SKLOPOVA

TEMA: SATELITSKI RADIONAVIGACIJSKI SUSTAVI

UČENIK

MIJO PETROVIĆ

Usora, Mentor :

1


USORA

Svibanj, 2015. godine Hamustafić Armin,dipl.ing. 2.OSNOVNO O GLOBALNOM NAVIGACIJSKOMSATELITSKOM SUSTAVU (GNSS)

"Gdje se nalazim? Kako ću doći do nekog mjesta?" - ova pitanja su stara koliko i povijestčovječanstva.Čovjek je još od kamenog doba identificirao i obilježavao neke objekte kao što su drveća, planine ilistijene pomoću kojih se orijentirao u prostoru. To su bile prve "referentne točke" koje je uspostaviona Zemlji.Identificiranje referentnih točaka na zemlji bilo je relativno lako, međutim kada je započelootkrivanje i istraživanje oceana, jedine referentne točke bile su: Sunce, Mjesec i zvijezde.Imenovanjem ovakvih tijela referentnim točkama, započela je ERA NEBESKE NAVIGACIJE.Možemo reći da je nebeska navigacija prva ozbiljna metoda uspostavljanja referentnih točaka.Relativna pozicija zvijezda i njihov geometrijski odnos izgledaju različito s različitih mjesta naZemlji. Promatrajući konfiguraciju zvijezda možemo otkriti naš položaj na Zemlji. Naravno, kada sukasnije otkriveni i neki optički uređaji pomoću kojih je s mjesta promatranja bilo moguće izmjeritirelativne kutove između pojedinih zvijezda, promatrač je mogao nanošenjem takovih kutova naspecijalne karte i dosta kompliciranim računanjem, odrediti svoj položaj s točnošću od nekoliko milja.Kako je ovakav posao bio jako zamoran i dosta netočan, a osim toga zvijezde, Mjesec ili Sunce nisureferentne točke koje se mogu vidjeti za oblačnih dana ili noći, već tada su započela razmišljanja onačinu koji bi omogućio mjerenje dužine do referentnih točaka. Ideju automatskog računanja pozicije pomoću mjerenja dužine do referentnih točaka bilo je mogućeostvariti nakon otkrivanja radio signala (elektromagnetskih valova), kada možemo reći da započinje era radio navigacije.

2


USORA

1.1 ERA RADIO NAVIGACIJE

Sredinom dvadesetog stoljeća znanstvenici su otkrili način da izmjere duljinu pomoću radio signala.Osnovni princip ovakvog mjerenja duljine je mjerenje vremena koje je potrebno radio signalu dadoputuje od stanice za emitiranje do uređaja za primanje. Množenjem vremena s brzinom kojomsignal putuje dobit ćemo duljinu između odašiljača i prijemnika. Brzina kojom se radio signali krećujednaka je brzini svjetlosti (cca 300 000 000 m/s).Potrebno je ostvariti veliku točnost mjerenja vremena kojim signal putuje, jer pogreška od jednemikrosekunde u mjerenju vremena, uzrokuje pogrešku duljine od 300 metara.Kako bismo objasnili osnovni princip određivanja položaja pomoću radio signala, zamislimo daimamo 3 odašiljača koja emitiraju radio signale i čije koordinate znamo, a u ruci držimo prijemnik iželimo odrediti naš položaj. Uključivanjem prijemnika, odredit ćemo udaljenost do prvog, drugog itrećeg odašiljača i iz presjeka tih udaljenosti sračunati naš položaj. Ovakva tri odašiljača čine tkz."LANAC" pa ako imamo više od tri odašiljača imat ćemo i prekobrojna mjerenja udaljenosti, a samimtime i bolju točnost određivanja položaja. Navigacijski sustavi koji koriste radio signale za mjerenjeduljine od stupova odašiljača čiji položaj je poznat, zovu se RADIO NAVIGACIJSKI SUSTAVI..Jedan od takvih sustava, koji je počeo sa svojom primjenom 1950. godine je LORAN (Long RangNavigation). Svaki LORAN sastoji se od najmanje 4 odašiljača i obično pokriva područje od oko 500milja. Kako bi se pokrilo što veće područje djelovanja koristi se više lanaca LORAN. Međutim, LORAN

3


USORA

je pokrio samo oko 5% Zemljine površine, stoga on nije globalni sustav kojim bismo određivali položajbilo gdje na Zemlji, a osim toga ovakvim načinom mjerenja udaljenosti dobivamo samo dvodimenzijalnuinformaciju o položaju (geografska širina i duljina). Visina, kao treća dimenzija ostajenepoznata. Generalno, možemo reći da je točnost LORAN-a dobra na udaljenostima do 250 metara.Kako bi se uklonila sva ova ograničenja, počelo je korištenje satelita u svrhu određivanjaudaljenosti. Sateliti su postali referentne točke i zamijenili su odašiljače na Zemlji. Kako su satelitikoji emitiraju el. mag. valove smješteni u svojim orbitama na velikim udaljenostima od površineZemlje, pokrivenost Zemljine površine postignuta je potpuno, a također iz presjeka sfera (kuglaopisanih oko satelita) dobivamo tro-dimenzijalni položaj točke na Zemlji: Y,X,H. Kod satelitskogsustava, položaj svakog pojedinog satelita nije fiksan (kao položaj odašiljača kod radio navigacije)nego sateliti obilaze Zemlju u svojim orbitama. Sateliti posjeduju mehanizme koji u svakom trenutkudaju informacije o svom položaju. Točnost računanja našeg položaja direktno će ovisiti o točnostipoznavanja točne pozicije (tj. koordinata) satelita (referentne točke).Možemo reći da je SATELITSKI SUSTAV ponovno usmjerio čovjeka da uputi pogled premanebu. Međutim, ovaj puta čovjek je sam napravio i lansirao svoje referentne točke koje su zamijenilezvijezde.Jedan od prvih satelitskih sustava bio je TRANSIT. Iz iskustava dobivenih korištenjem ovih satelita,započeo je razvoj današnjih GLOBAL POSITIONING SYSTEM (GPS) od strane vojske USA kao iGLOBAL NAVIGATION SATELLITE SISTEMS (GLONASS) od strane vojske Ruske Federacije.Kina je lansirala svoja prva dva satelita krajem 2000. godine, međutim detaljnijih informacijanemamo. Europska zajednica priprema svoj sustav, koji će ujedno biti i jedini sustav namijenjenisključivo za civilnu upotrebu. Sustav će nositi ime GALILEO i predviđa se njegovo stavljanje ufunkciju 2008. godine. Svi ovi satelitski sustavi jednim imenom nazivaju se GLOBALNI NAVIGACIJSKI SATELITSKISUSTAVI (skraćeno GNSS).Najpoznatiji satelitski sustav, ujedno i najkorišteniji je američki GPS.Možemo reći da se GPS sastoji od 3 komponente: svemirske, kontrolne i korisničke.Svemirsku komponentu čine GPS sateliti. Sateliti se gibaju u skoro kružnoj orbiti na visini od 20200km iznad Zemlje. Ima ih 24+ 3 rezervna, po 4 satelita u svakoj ravnini (kut inklinacije među timravninama je 55 stupnjeva). Osnovna zadaća satelita je odašiljanje radio signala pomoću kojih seudaljenosti između satelita i prijemnika mogu mjeriti. U tu svrhu se na satelitima osim radioodašiljača nalaze i atomski satovi, računalo i druga oprema.

4


USORA

Kontrolna komponenta sastoji se od glavne kontrolne stanice koja je smještena u Koloradu (SAD),pet opažačkih stanica raspoređenih u blizini ekvatora i tri zemaljske kontrolne stanice na kojima suvelike antene s opremom.. Glavne zadaće kontrolne komponente GPS su praćenje satelita u svrhuodređivanja orbita i vremena, sinkronizacija vremena satelita i odašiljanje poruka s informacijamasatelitima.Korisničku komponentu dijelimo na autorizirane i neautorizirane korisnike. Prvu skupinu predstavlja ojska SAD, dok su u drugoj skupini svi ostali korisnici u svijetu, bilo civilni ili vojni drugih zemalja.

1.2 OSNOVNI PRINCIP RADA

GPS mjerenja zasnovana su na konceptu "jednostrukog puta signala" uz primjenu dva sata(jedan je na satelitu, a drugi u prijemniku). Mjerena udaljenost dobija se iz mjerenja vremena (ilifaznih razlika) na temelju usporedbe između primljenog sa satelita i u prijemniku stvorenog signala.Vremenski interval (tkzv. zakašnjenje) potreban da signal odaslan od satelita stigne do prijemnikaodređuje se očitanjem sata na satelitu u trenutku odašiljanja i očitanjem sata prijemnika u trenutkuprijema signala. Pomnoži li se taj vremenski interval s brzinom svjetlosti, dobije se traženaudaljenost.Potkrijepimo ovo objašnjenje jednostavnim primjerima koji će nam omogućiti potpuno razumijevanjeove problematike.Tijekom oluje - koliko protekne vremena - dok ne čujemo udar groma (eksploziju) nakon što smougledali munju? Razlog toga zakašnjenja je u tome što zvučni valovi putuju puno sporije negosvjetlosni valovi. Mogli bismo izmjeriti našu udaljenost od mjesta grmljavine mjerenjem togaintervala vremena, odnosno zakašnjenja. Znači, nakon pojavljivanja munje, započnemo brojanjesekundi dok ne čujemo grmljavinu, te ako smo izbrojali npr. 2 sekunde - 2x344=688 m (brzina zvukaje 344 m/s) - iznosi udaljenost od mjesta groma do mjesta na kojem smo mi.Razmotrimo još jedan jednostavan primjer- uzmimo da naš prijatelj stoji na kraju velikog polja ikonstantno broji od 1-10 (svakih 1 sekundu jedan broj u nekoliko ciklusa ponavljanja). Takođerzamislimo da se mi nalazimo na početku toga polja i da istog trenutka i mi započinjemo brojati od 1-10 (pretpostavka je da imamo jako točne satove i mogućnost da počnemo brojati istovremeno). Zbog vremena koje je potrebno da zvučni signal stigne od jednog kraja polja na drugi, zvuk glasa našeg

5


USORA

prijatelja čuti ćemo s nekim zakašnjenjem. Kada mi kažemo "dva", on će reći npr. "jedan", tj. takoćemo mi čuti, mada smo istovremeno- i on i mi- izgovarali broj "dva".. Čujemo zakašnjenje od jednogbroja, te možemo sračunati udaljenost 1x344m=344 m.Zamislimo sada da i mi i naš prijatelj brojimo 100 puta brže (jedan broj u 0.01 sekundi), tada jedužina 3,44 m (ako čujemo zakašnjenje od jednog broja). Zaključak je, ako brojimo brže (ako imamofiniju podjelu), dužinu ćemo izmjeriti točnije.Vratimo se na početno razmatranje - brojimo u ciklusima od 1-10 (možemo reći da nam je UZORAK 1-10) i da svakih 0.01 sekundu kažemo jedan broj. Zamislimo npr. , kada smo rekli "sedam" čuli smo daje naš prijatelj rekao "pet", mada je on u tom trenutku - isto kao i mi- rekao "sedam", no njegov glas"šest" i "sedam" još nije stigao do nas.. Dakle, čuli smo zakašnjenje od dva broja, ali vidljivo je"prostim okom" da duljina nije samo 6,88 m, nego je veća. Ovo se dešava zato što zakašnjenje nijesamo dva broja, nego dva broja plus neki broj N kojim trebamo pomnožiti naš zadani uzorak (brojanjeod 1-10). Zamislimo da imamo mjernu vrpcu od 50 m (50 m je uzorak), a trebamo izmjeriti duljinu od122,30 m. Tada imamo 2 x cijela vrpca plus ostatak od 22,30 m. Taj broj N nazivamo nepoznati cijelibroj ili u GPS terminologiji INTEGER. Ako zajedno s prijateljem brojimo u uzorcima od 1-1000(umjesto 1-10) , svakih 0.01 sekundu, tada ćemo čuti zakašnjenje od 212 brojeva, što daje duljinu od212x3,44 m=729.28 m. To je isto kao 21 uzorak od 1-10 plus dva broja. Taj broj 21 je naš nepoznaticijeli broj ili integer. Ovime je opisan koncept "grublje" i "finije" podjele uzorka (1 sekunda ili 0.01sekunda), te duljina uzorka (1-10 ili 1-1000).Koncept mjerenja duljine do satelita vrlo je sličan ovom kojeg smo ovdje opisali, samo što satelitiproizvode i odašilju elektroničke uzorke (elektromagnetske valove). Naš prijemnik (GPS uređaj)proizvodi iste uzorke zbog komparacije s primljenim uzorcima sa satelita kako bi se odredila (fazna)razlika i iz nje dužina od GPS uređaja do satelita.Sateliti emitiraju dva tipa uzoraka: jedan ima mm-podjelu i valjnu duljinu od oko 20 cm. Drugi imapodjelu od oko 1m i valnu duljinu možemo reći praktično neograničenu. U GPS terminologiji prvi senaziva "carrier" (nosač), a drugi "code" (kod). Duljina mjerena s carrierom naziva se carrier faza, a

6


USORA

duljina mjerena s kodom naziva se kodna faza. Kako je kodni uzorak dug, možemo reći da mjerenjakodnom fazom nemaju nepoznati cijeli broj (integer). Iz navedenog razloga možemo izmjeriti duljinudo satelita npr. 19,234,764 m. Međutim, uzorak carrier-a je kratak, stoga faza carrier-a ima jakovelik integer, pa je duljina do satelita 13,2 cm plus neki integer.Neodređenost (ambiguity) toga nepoznatog cijelog broja (integer-a) može se riješitikontinuiranim praćenjem satelita u određenom periodu vremena. Moramo naglasiti da je ovofundamentalan koncept kod preciznih uređaja koji se koriste u geodeziji. Kako mi određujemo 3nepoznanice (X;Y;Z), potrebno je ISTOVREMENO pratiti najmanje 3 satelita čiju poziciju znamo usvakom trenutku. Kasnije ćemo objasniti zašto nam nisu dovoljna samo 3 satelita.Također je potrebno primjetiti da svi GPS uređaji ne mogu mjeriti carrijer fazu. Carrier faza se

koristi kod preciznih uređaja kakvi su nam potrebni za geodetske svrhe. Kodnu fazu koriste manjeprecizni uređaji koji se upotrebljavaju u navigaciji ili u neke druge svrhe (sport, cestovni promet,planinarenje i sl.).Udaljenost do satelita možemo mjeriti s točnošću od 1 m s kodnom fazom i s točnošću od 1 mm scarrier fazom. Međutim to ne znači da će naše koordinate koje određujemo GPS-om biti određene stočnošću od 1m ili 1mm. Razlog su: POGREŠKEPrilikom mjerenja potrebno je uzeti u obzir izvore pogrešaka koji će bitno utjecati na točnostrezultata.Prvi izvor pogrešaka je pogreška sata na satelitima. Pogreška od 1 bilionitog dijela sekundesata, dati će pogrešku od 30 cm kod mjerenja duljine do satelita.. Upravo iz toga razloga sateliti suopremljeni najpreciznijim atomskim (Cesium) satovima. Usprkos toj velikoj točnosti i takvi satovisakupe pogrešku od 1 nanosekunde svaka 3 sata.. Zbog toga kontrolne stanice sa Zemlje stalno pratesatove i kompariraju ih s glavnim sustavom satova koji se sastoji od 10 atomskih satova i te sekorekcije šalju GPS prijemnicima zajedno sa signalom. Ali usprkos svim nastojanjima možemo reći dapogreška sata satelita uzrokuje pogrešku u duljini od oko 1 m.Isto kao što netočnosti satova na satelitima uzrokuju pogreške u duljini, tako i pogreškasata u GPS uređaju također utječe na točnost duljine. Međutim, kada bismo u GPS uređajimaugradili atomske satove koji su teški preko 20 kg i čija cijena je preko 50,000 USD, naši GPS uređajitada bi bili glomazni, nespretni za svakodnevnu upotrebu i preskupi.Kako bismo mogli u GPS uređaje ugrađivati manje precizne satove koji po težini i cijeni odgovarajupotrebnim zahtjevima, uključit ćemo pogrešku sata uređaja kao četvrtu nepoznanicu koju moramo

7


USORA

odrediti (osim Y;X;Z sada imamo i pogrešku sata uređaja). Mjerenjem duljine do najmanje 4 satelitaistovremeno, možemo dobiti rješenje ove jednadžbe.. Prema tome, umjesto prijašnje 3 nepoznanice,sada imamo 4, ali možemo koristiti manje točne satove u uređajima.Napomenimo još jednom, najmanje 4 satelita moramo opažati ISTOVREMENO.Četiri satelita je minimum broja satelita koji su nam potrebni za računanje položaja i vremena. Štoviše satelita opažamo istovremeno, to točnije koordinate dobivamo.Kao što smo ranije napomenuli točnost dobivenog položaja ovisit će i o tome koliko točno jeodređen položaj satelita kao naše referentne točke. Znamo da se sateliti kreću u svojim orbitama, ate se informacije o orbitama prate s kontrolnih stanica na zemlji, a one šalju korekcije satelitima.Možemo općenito reći da pogreška satelitskih orbita može uzrokovati pogrešku u duljini u iznosu odnekoliko metara.Već smo nekoliko puta spomenuli da se udaljenost do satelita računa tako da mjerimo vrijemepotrebno signalu sa satelita da stigne do GPS uređaja i zatim to vrijeme množimo s brzinomsvjetlosti. Problem koji se ovdje javlja je taj da brzina svjetlosti varira ovisno o atmosferskimprilikama. Viši sloj atmosfere, kojeg nazivamo ionosfera, djeluje tako da usporava kodne dužine aubrzavaju carrier. Efekt ionosfere je mnogo veći tokom dana nego preko noći. Ako ovaj utjecaj neuzmemo u obzir, on može uzrokovati pogreške u mjerenju veće od 10 m.Neki GPS uređaji koriste matematički model da bi ublažili utjecaj ionosfere, ali generalno možemoreći da se modelima ovaj utjecaj može smanjiti za 50%. Međutim, nakon uvođenja matematičkihmodela utjecaj ionosfere još uvijek ostaje jako izražen.Utjecaj ionosfere na elektroničke signale ovisi o frekvenciji signala. Što je viša frekvencija signala,manji je utjecaj.Recimo da sateliti emitiraju uzorke istovremeno preko dvije različite frekvencije te da ionosferauzrokuje zakašnjenje koda na jednoj frekvenciji npr. 5 m, a na drugoj frekvenciji npr. 6 m. Veličinutoga zakašnjenja ne možemo izmjeriti, ali možemo izmjeriti njihovu razliku tako da utvrdimo razliku uvremenu dolaska, što se u ovom primjeru može prikazati kao 1 m. Mjerenjem ove razlike, utjecaj ionosfere možemo uspješno suzbiti. Upravo zbog suzbijanja utjecaja ionosfere, svi GPS satelitiemitiraju informacije na dvije frekvencije koje nazivamo L1 i L2.Stoga dolazimo do druge osnovne podjele GPS uređaja na: jednofrekvencijske i dvofrekvencijske.Svi manje precizni uređaji mogu primati informacije samo preko jedne frekvencije, dokdvofrekvencijski uređaji primaju i L1 i L2 signal.Utjecaj ionosfere može biti eliminiran samo korištenjem DVOFREKVENCIJSKIH uređaja.

8


USORA

Kako L2 signal nosi informacije koje su samo djelomično dostupne za civilnu upotrebu (Ministarstvoobrane SAD jedino ima pristup najpreciznijem tkzv. Y kodu), sofisticirana oprema je ugrađena unajpreciznije uređaje, te korištenjem suvremenih matematičkih metoda u cilju dobivanja kodnih icarrier informacija koje se nalaze na L2 signalu. Možemo reći da takve najsuvremenije tehnikeomogućavaju potpuno zadovoljenje točnosti civilnih korisnika.Niži sloj atmosfere koji sadrži vodenu paru zove se troposfera. Utjecaj troposfere je takavda ona usporava i kod i carrier. Utjecaj troposfere ne može se smanjiti korištenjemdvofrekvencijskih uređaja. Jedini način da se ovaj utjecaj smanji je uzimanje matematičkog modelakoji može računati zakašnjenje signala koji prolazi kroz troposferu.Višestruka putanja (multipath) je još jedna pogreška koja utječe na točnost mjerenja. Ovajutjecaj nastaje kada emitirani signal sa satelita ne dolazi neposredno do antene nego kroz različiteputanje. Isto tako utjecaj multipatha može biti izazvan i refleksijom signala kada on padne na nekuglatku i sjajnu površinu (metalne ograde, staklene površine) tako da takvi reflektirani signali utječuna direktne signale i uzrokuju netočnosti kod određivanja dolaznog vremena signala. (efekt eha, kadane možemo točno odrediti trenutak kada smo čuli neki zvuk).Uređaji također imaju sami po sebi neke male pogreške u mjerenju koda i carriera. Kodvisokokvalitetnih uređaja te su pogreške jako male (unutar milimetra) za carrier fazu, odnosnonekoliko centimetara za kodnu fazu.Do sada smo govorili o pogreškama koje utječu na mjerenje dužine od satelita do prijemnika.Međutim, sada razmotrimo kakav je odnos između pogreške u mjerenju dužine i pogreške određivanjanaše pozicije, tj. stajališta GPS uređaja. Ili drugim riječima koliko metara ćemo dobiti netočnekoordinate stajališta, ako smo pogrešno izmjerili dužinu za 1 m.Odgovor je da to ovisi o broju i geometriji (položaju) satelita koji se koriste. Ako su npr. 4 satelita,čije signale koristimo, jako blizu jedan drugome, tada 1 m pogrešno izmjerena dužina do satelitamože uzrokovati desetak ili više metara pogrešku u određivanju stajališta GPS uređaja.. Međutim akosu sateliti "oko neba", tada je pogreška u određivanju pozicije manja od 1,5 m. Efekt geometrijesatelita naziva se GDOP. Znači, što je veći volumen što ga zatvara tijelo čije stranice zatvarajudužine od satelita do prijemnika, to je GDOP manji.U većini slučajeva vrijedi pravilo: što veći broj satelita, GDOP je manji, a naši rezultati bolji.Sve dosad navedene pogreške (pogreška sata na satelitima, pogreška orbita satelita, utjecajionosfere i troposfere, multipath i pogreška ureñaja) uz neki prosječni GDOP od otprilike 2,rezultiraju pogrešku u određivanju naše pozicije od oko 20-tak metara.Ministarstvo obrane SAD ocijenilo je da je takova točnost prevelika za civilnu upotrebu i da onaugrožava nacionalnu sigurnost. Stoga, ovo Ministarstvo uvodi pogrešku koja je degradirala postojeću

9


USORA

točnost s 20 na 100 m. Ta se umjetno izazvana pogreška naziva selektivna dostupnost (Selective Availability), a dobivena je tako da su umjetno pokvarene putanje satelita, te uvedena dodatnatitranja satova.Uredbom predsjednika Clintona 1. svibnja 2000. godine ova pogreška je ukinuta tako da je točnostvraćena na prvobitnih 20 m.Međutim ovakva točnost od 20 m u određivanju koordinata za mnoge geodetske potrebe nijedovoljna. Postavlja se pitanje kako dobiti točnost (centimetarsku) koja je potrebna da bismotehnologiju GPS upotrijebili u našem svakodnevnom geodetskom poslu.Zamislimo da smo postavili dva GPS uređaja koja nisu na velikoj međusobnoj udaljenosti. Utjecajisvih do sada navedenih pogrešaka imaju jednak učinak na oba uređaja. Ako znamo točne koordinatejednog uređaja možemo koristiti tu informaciju da bismo sračunali pogreške mjerenja ( tj. Sračunatikorekciju) i te vrijednosti korekcija poslati drugom uređaju kako bismo odredili točan položaj togdrugog uređaja.

1.3 DIFERENCIJALNI MODOvu tehniku ili metodu rada nazivamo DIFERENCIJALNI MOD. Diferencijalni modkoji koristi samo kodnu fazu naziva se DGPS, dok se diferencijalni mod koji koristi carrier fazu zoveCarrier Phase Differential (CPD). Ako radimo CPD u realnom (stvarnom) vremenu tada imamokinematiku u realnom vremenu (Real Time Kinematic - skraćeno RTK).Uređaj koji postavljamo na točku poznatu po koordinatama nazivamo BAZNI uređaj, a onaj koji jena točki čije koordinate određujemo nazivamo ROVER. Bazni uređaj računa dužinu do svakog satelitapomoću svoje poznate pozicije i pozicije satelita. Zatim uspoređuje tu računsku vrijednost smjerenom vrijednosti. Razlika između te dvije vrijednosti zove se RANGE ERROR za korespondentnisatelit. Ovu korekciju šalje roveru. Rover je uzima u obzir prilikom računanja vlastitih koordinata(popravlja mjerenja). Zbog kretanja satelita, vrijednost korekcija mijenja se jako brzo. Bazni uređajmora zbog toga brzo računati range error-e i slati ih roveru.. Točnost određivanja koordinata bazedirektno utječe na točnost određivanja koordinata rovera.Udaljenost između baznog uređaja i rovera naziva su LINIJA BAZE (baseline). Kada je ona kratka(nekoliko km), odnosno kada su uređaji blizu jedan drugoga, možemo reći da su range error-i za oba

10


USORA

uređaja identični. Kada je linija baze duga, međusoban odnos između range error-a postaje slabiji.Drugim riječima možemo reći da ćemo imati manju točnost određivanja pozicije rovera što je dužinabazne linije veća.Kao općenito pravilo uzimamo za dvofrekventne uređaje da imaju pogrešku od 1cm za prvi kilometarbazne linije plus 1 mm za svaki slijedeći kilometar duljine bazne linije (obilježava se s 1 ppm). Zajednofrekventne uređaje pogreška za svaki slijedeći km je 2 ppm.Diferencijalni mod će ukloniti sve prije navedene pogreške osim pogreške multipatha i pogreškeuređaja.

1.4 METODE RADA

Postoje različite metode rada kojima određujemo koordinate nepoznate točke.Nabrojimo one koje se najviše koriste:a) STATIKA,b) BRZA STATIKA,c) KINEMATIKA i kao najnovija metoda jed) KINEMATIKA U REALNOM VREMENU (RTK).

-Kod statičkih metoda (bilo da se radi o običnoj statici, brzoj statici ili kinematici) pohranjujemopodatke (tkzv. epohe) u memoriji baznog uređaja i u roveru, te nakon toga u uredu podatkeprebacujemo u računalo, a onda posebnim, tkzv. postprocesing software-om obrađujemo podatke i dobivamo definitivne koordinate.

-Kod kinematike u realnom vremenu koordinate dobivamo odmah na terenu, odnosno nije potrebnanaknadna obrada da bi znali koordinate nove točke. Kod ove metode potrebno nam je dodatno terensko računalo s posebnim tkzv. RTK software-om koji nam omogućava računanje koordinata naterenu, te radio veza između baznog uređaja i rovera.

-O metodama rada rekli smo samo ono najosnovnije. One zahtijevaju još mnogo daljnjihobjašnjenja i obrazlaganja što može biti tema drugog predavanja.

11


USORA

Tablica 1.1 Usporedba GPS i GLONASS sustava

GPS GLONASSBroj satelita 24 24Broj orbitalnih ravnina 6 8Broj satelita po orbiti 4 8Frekvencije nositeljaL1L2

1565,2-1585,7 MHz1217,4-1237,8 MHz

1602,56-1615,5 Mhz

1240-1260

Modulacija prošireni spektar Prošireni spektarVrijeme ophoda 717,94 min 675,73 minRadius orbite 26 560 km 25 510 kmNagib orbite 55° 64,8°C/A sinkronizacijska riječ 8 bit/20 ms 30 bit/10 msBrzina C/A koda 1,023 Mbit/s 0,511 Mbit/sPonavljanje C/A koda 1 ms 1 msBrzina P-koda 10,23 Mbit/s 5,11 Mbit/sPonavljanje P-koda 38 tjedana ?Razmak kanalaL1L2

00

0,5625 MHz0,4375 MHz

Prijenos podataka 50 bit/s 50 bit/sDuljina okvira podataka 1500 bit/30 s 7500 bit/150 s

12


USORA

Podokviri podataka 5/300 bit 5/1500 bit

Slika 1. prikaz L1 carrier

Slika 2. prikaz GPS i GLONASS satelita

13


USORA

2. GPS–SUSTAV ZA GLOBALNO POZICIONIRANJE

GPS (Global Positioning System) je sustav kojim s može precizno odrediti položaj korisnika na kopnu, na moru i u zraku. Sustav omogućuje korisnicima da dobiju trenutne informacije o poziciji, brzini i točnom vremenu bilo gdje na Zemlji ili u zraku, u svako doba i u svimvremenskim uvjetima. GPS-sustav kontrolira američko Ministarstvo obrane, a bio je primarno namijenjen za vojne svrhe, ali je američki kongres dopustio i njegovu civilnu uporabu. Navigacijskim sustavom može se koristiti neograničen broj korisnika.GPS-sustav sastoji se od triju cjelina:a) svemirski segment – sateliti koji odašilju signale,b) kontrolni segment – upravlja cijelim sustavom,c) korisnički segment – GPS-prijamnici.

a) Svemirski segmentGPS-sateliti gibaju se u približno kružnim orbitama oko Zemlje. 24 satelita raspoređena su u 6 orbitalnih ravnina s po 4 satelita u svakoj. Nagib (inklinacija) orbitalne ravnine je 55° prema ekvatoru, a visina im je 20.183 km. Vrijeme obilaska satelita iznosi 11h 58min. S punom konstelacijom od 24 satelita omogućeno je da se bilo gdje na Zemlji u svakom trenutku “vide”

14


USORA

barem 4 do 8 satelita pri elevaciji većoj od 15° iznad obzora, a uz elevacije još bliže horizontu može se istodobno opažati i do 12 satelita. Sateliti emitiraju radiosignale s pomoću kojih se mogu mjeriti udaljenosti između satelita i prijamnika. Uz odašiljač na satelitu se nalaze precizniatomski satovi, računalo i druga oprema prijeko potrebna za rad.

b) Kontrolni segmentGPS-sustav se nadzire s pomoću sustava zemaljskih stanica raspoređenih po cijeloj Zemlji. Obuhvaća glavnu Master kontrolnu postaju, monitorske opažačke stanice i zemaljske kontrolne stanice. Master kontrolna postaja je u Colorado Springsu. Sakuplja podatke monitorskih stanica, računa precizne orbitalne modele satelita - efemeride, korekcije točnog vremena i parametre sustava, te prosljeđuje te podatke zemaljskim stanicama za slanje korekcija prema satelitima. Obavlja nadzor satelita i kompletnu operacionalizaciju sustava.Kontrolne stanice raspoređene su po čitavoj zemaljskoj kugli u blizini ekvatora, uz ukupno 5opažačkih stanica. Stanice su opremljene preciznim cezijevim satovima i neprekidno mjere pseudoudaljenosti do svih satelita na obzoru. Mjerenja se obavljaju svakih 1,5 s, a svakih 15 minuta šalju se podaci u kontrolnu (master) postaju.Zemaljske kontrolne stanice odašilju poruke satelitima s podacima o efemeridama i o korekcijama vremena izračunatim u Master kontrolnoj postaji. Podaci se satelitima šalju jedan do dva puta dnevno. Ako se izgubi kontakt s upravljačkim segmentom, sateliti su u stanjuzadržati svoju funkciju nekoliko tjedana do nekoliko mjeseci, ovisno o klasi (generaciji) satelita.

c) Korisnički segmentDvije su kategorije korisnika: autorizirani i neautorizirani. U autorizirane ubrajaju se: američkavojska i posebne državne službe. Neautorizirani su svi ostali civilni korisnici širom svijeta.Za vojne primjene GPS-prijamnici se rabe u zrakoplovima, brodovima, kopnenim vozilima, raketama, pa čak i za pješačke jedinice. Civilna je primjena u početku bila samo navigacijska, a poslije se upotreba GPS-sustava proširila na sve vrste geodetskih i inženjerskih radova, u svim granama djelatnosti vezanima za prostor, pa se kao mali prijenosni uređaji za individualne korisnike sve masovnije rabe za sport i rekreaciju. Sve češće se GPS-prijamnici ugrađuju i u osobne automobile kao dio sustava za navigaciju, štotreba pridonijeti povećanoj sigurnosti i optimizaciji prometa.

2.1 USLUGE GPS-POZICIONIRANJA

Pozicioniranje s višom razinom točnosti (PPS -Precise Positioning Service) namijenjeno je autoriziranim korisnicima i zasniva se na dvofrekvencijskom prijenosu.

15


USORA

Korisnici imaju posebne GPS-prijamnike i kodove za dekriptiranje. Točnost PPS-pozicionoranja za 95% vremena bolja je od 22 m u horizontalnom i 28 m u vertikalnom smjeru [4].Pozicioniranje sa standardnom razinom točnosti (SPS-Standard Positioning Service) namijenjeno je civilnim korisnicima, bez ikakve naplate i ograničenja, i zasniva se na jednofrekvencijskom prijenosu. Većina GPSprijamnika prima samo SPS-signal. Američko Ministarstvo obrane može namjerno degradirati točnost pozicioniranja posluživši se selektivnom dostupnošću SA(Selective Availability). Točnost SPS-pozicioniranja uz uporabu SA je u 95% vremena bolja od 100 m u horizontalnom i 156 m u vertikalnom smjeru [4]. Bez uključene SA točnost SPS-pozicioniranja je u 95% vremena bolja od 36 m u horizontalnom, a 77 m u vertikalnom smjeru [8].

2.2 GPS-SATELITSKI SIGNALI

Svi GPS-sateliti istodobno odašilju signale na dvjema prijenosnim frekvencijama, L1 i L2. Frekvencije nosilaca precizno se nadziru s pomoću atomskih satova. Blok II. sateliti imaju 4 vremenska standarda, ostvarena s pomoću dva rubidijeva i dva cezijeva sata. Stabilnost tihsatova dostiže 10-13 – 10-14 tijekom jednog dana.Vrlo točni standardi frekvencije omogućuju da se dobiju stabilne osnovne takt-frekvencijef = 10,23 MHz.Prijenosne frekvencije L1 i L2 su 154-ti, tj. 120-i višekratnik osnovne frekvencije takta, L1 = 1575,42 MHzL2 = 1227,60 MHz.Prijenosni su signali modulirani binarnom bifaznom modulacijom BPSK (Binary Phase Shift Keying) s pomoću triju sinkroniziranih kodova.

2.3 SOVJETSKI GLOBALNI NAVIGACIJSKI SUSTAV (GLONASS)

Razvoj GLONASS (Globalnaja Navigacionaja Sputnikovaja Sistema) navigacijskog sustava počinje 1970. godine, kao nastavak razvoja i uspješnog rada niskoorbitalnog SRNS (Satelitski radionavigacijski sustav) sustava Tsicada. Prvi sateliti GLONASS-sustava (Cosmos – 1413, - 1414, - 1415) lansirani su u orbitu1982. godine. Do 1991. godine lansirano je ukupno 12 funkcionalnih satelita, s pomoću kojih se mogla određivati globalna pozicija korisnika, čime je počela druga faza korištenja sustavom. Planirano je da GLONASS postane osnovni navigacijski sustav u Rusiji za sva vozila.Sustav je zamišljen kao globalni navigacijski sustav za dobivanje pozicije, brzine i preciznog vremena za pomorske, zračne i kopnene korisnike. On treba biti univerzalan i za vojne i za civilne svrhe širom svijeta.Ukupni predviđeni broj satelita u orbiti je 24, što će omogućiti istodobni prijam signala 5 do 11 navigacijskih satelita, ovisno o poziciji korisnika.

16


USORA

GLONASS-sustav neprestano se unaprjeđuje i modernizira. To uključuje modernizaciju zemaljskog sustava nadzora i poboljšanja satelitskog segmenta, da bi im se produžio životni vijek.Konstelacija GLONASS-satelita bit će po 8 satelita jednoliko raspoređenih u tri orbitalne ravnine. Ravnine imaju inklinaciju (nagib prema ekvatoru) od 64,8° i razmaknute su 120°. Orbitalna visina satelita je 19.100 km, a vrijeme obilaska je 8/17 zvjezdanog dana, što znači da nakon 8 dana GLONASS-sateliti naprave točno 17 orbitalnih rotacija. Gledajući sa Zemlje, svaki se satelit pojavi na istome mjestu na nebu svakih 8 dana. Budući da se u svakoj orbitalnoj ravnini nalazi 8 satelita na jednakim razmacima, jedan će od njih biti lociran u istoj točki na nebu u isto vrijeme svaki dan. Iako imaju različite orbitalne konfiguracije, GPS i GLONASS-sustavi osiguravaju praktički identične mogućnosti.Kao i kod GPS-sustava, kod GLONASS-a se utvrđuju pseudoudaljenosti. Zbog toga su strukture signala slične.Razlikuju se u modulacijskim postupcima. Sateliti emitiraju signale na dvjema frekvencijama u L-pojasu, L1 i L2. Ti se signali moduliraju s dva binarna koda, C/Akodom i P-kodom, te binarnim podacima. GLONASSsateliti emitiraju signale na različitim kanalima, tj. Na različitim frekvencijama. GLONASS-prijamnik odvaja signale vidljivih satelita odabirom specifične frekvencijepridružene svakom satelitu postupkom FDMA (Frequency Division Multiple Access). Kako FDMA ne zahtjeva specijalnu kodnu modulaciju za razlikovanje pojedinih satelita, svi GLONASS-sateliti emitiraju isti kod.

ZAKLJUČAK

GNS sustavi su napravljeni prvenstveno u navigacijske svrhe. Međutim, zbog točnosti kojupostižu najsuvremeniji uređaji, primjena u geodeziji postignuta je vrlo brzo i kvalitetno.Geodeti su iznenađujućom brzinom i velikim oduševljenjem prihvatili ovu novu metodu rada koja imomogućava izvanrednu točnost, veliku brzinu i efikasnost rada, te rješenje zadataka koje do sadanisu mogli obaviti klasičnim instrumentarijem.Možemo reći da je primjena GNS sustava veliki napredak za geodetsku struku.

SAŽETAK

17


USORA

U radu je prikazan pregled aktualnih globalnihnavigacijskih sustava i elektroničkih navigacijskih sustavakoji su im prethodili. Analizirani su sigurnosni zahtjevi uradu navigacijskih sustava, te su navedene prednosti iograničenja pojedinoga navigacijskog sustava u odnosuprema ispunjavanju postavljenih zahtjeva.

LITERATURA

- Elektronička navigacija ( Nikola Poduje) 41-94str.

- Wikipedija

- Nakladnik, Element, Zagreb, Republike Austrije

1.

OSNOVNO O GLOBALNOM NAVIGACIJSKOM.................................................................2

SATELITSKOM SUSTAVU (GNSS)..........................................................................................2

1.1 ERA RADIO NAVIGACIJE..................................................................................................3

1.2 OSNOVNI PRINCIP RADA..................................................................................................5

1.3 DIFERENCIJALNI MOD....................................................................................................10

1.4 METODE RADA...................................................................................................................11

Tablica 1.1 Usporedba GPS i GLONASS sustava........................................................................12

Slika 1. prikaz L1 carrier...............................................................................................................13

18


USORA

Slika 2. prikaz GPS i GLONASS satelita......................................................................................13

a) Svemirski segment.....................................................................................................................14

b) Kontrolni segment.....................................................................................................................14

c) Korisnički segment....................................................................................................................15

2.1 USLUGE GPS-POZICIONIRANJA...................................................................................15

2.2 GPS-SATELITSKI SIGNALI..............................................................................................15

2.3 SOVJETSKI GLOBALNI NAVIGACIJSKI SUSTAV (GLONASS)..............................16

ZAKLJUČAK................................................................................................................................17

SAŽETAK.....................................................................................................................................17

LITERATURA..............................................................................................................................17

SADRŽAJ………………………………………………………………………………………..18

19

satelitska navigacija

Documents