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


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


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


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.


5/52

Segmenti GPS


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


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


8/52

Korisniki segment


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


10/52

GPS signal

Signal koji se emituje sa satelita sastoji se od tri komponente:nosilaca, PRN kodova i navigacione poruke.


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.


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.


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.


14/52

Komponente GPS signala


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.


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.


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.


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 )


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 =++


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

=++

=++=++

=++


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

=

=

=


22/52

Izvori greaka

Izvori greaka merenja se mogu podeliti u

etiri grupe: Sistem

Atmosfera

Okolina

Prijemnik

k k d


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)


24/52


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)


25/52


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


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


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


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)


29/52


DOP (Dilution Of Precision) smanjenje preciznosti usledprostornog rasporeda satelita

to su sateliti na meusobno manjem rastojanju DOP je vei



30/52


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)


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)


32/52


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


33/52


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)



34/52




35/52


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


36/52

Hardver GPS ureaja Delovi GPS ureaja:

Antena

Pretpojaavaki stepen

RF stepen

Procesor Interface

Medij za uvanje podataka

Napajanje

GPS antena, pretpojaavaki i


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


38/52

Interface

Ulazni moduli: Tastatura Ekranski tasteri (touch-screen)

Izlazni moduli:

Displej

Komunikacioni portovi:

Serijski (RS 232) USB Bluetooth

Skladitenje podataka


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


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


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)


42/52

p ( )

U zavisnosti od tanosti postoje tri nivoa premera:

Nauni (greka


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


44/52

Izgradnja puteva Iskolavanje Postavljanje prefabrikovanih

elemenata

Izgradnja mostova, brana ... Precizna navigacija na gradilitima Detekcija i mapiranje infrastrukture Precizno merenje deformacija

Saobraaj


45/52

j

Navigacija putnikih i teretnih vozila Praenje vozila i drugih pokretnih objekata

ITS (Inteligent Transport Systems) Fleet management

Poljoprivreda


46/52

j p v d

Precizna poljoprivreda korienje GPS

tehnologije i GIS u poljoprivredi

Navigacija poljoprivrednih maina

Uzorkovanje zemljita

Mapiranje parcela

Rudarstvo


47/52

Rudarstvo

Upotreba na povrinskim kopovima: Precizno postavljanje eksplozivnih punjenja Navigacija i praenje maina

Vo

enje utovara Premer terena na kopu

Glonass


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


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


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


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


52/52

Global Navigational Satellite System

Predstavlja istovremenu upotrebu svih raspoloivihsatelitskih sistema

Budunost satelitskih sistema

GNSS ureaji ve dostupni, ak i na naem tritu

GPS Zastita Skripta

Documents

Transcript of GPS Zastita Skripta