SYSTEMY INFORMATYCZNE W TRANSPORCIE
PRZEZNACZENIE I WŁAŚCIWOŚCI SYSTEMU GPS
Zadanie określania położenia obiektu często występuje we współczesnym świecie. Można je rozwiązać
wieloma metodami. Jedne z tych metod umożliwiają określenie położenia z wysoką precyzją inne w sposób
przybliżony - ale wszystkie sprowadzają się do jednego - do wyznaczenia współrzędnych obiektu
w określonym układzie współrzędnych. Jednym ze sposobów określenia położenia obiektu jest wykorzystanie
satelitarnego systemu nawigacyjnego GPS (Global Positioning System - Globalny System Pozycjonujący,
System Światowej Lokalizacji). System GPS służy do wyznaczania współrzędnych dowolnego punktu na
powierzchni globu, na podstawie odebranej drogą radiową pozycji kilku satelitów.
Aktualna konstelacja satelitów GPS zawiera 27 satelitów (w tym 3 rezerwowe) bloku II/IIA okrążających
Ziemię dwukrotnie w ciągu doby. Pierwszy pracujący satelita bloku II został umieszczony na orbicie w lutym
1989 roku. [3]. Satelity krążą na 6 orbitach, położonych ok. 20 200 km nad powierzchnią ziemi (4 satelity na
każdej orbicie). Rozmieszczone są one w taki sposób, że w każdej chwili z każdego punktu na powierzchni ziemi
widoczne jest ponad horyzontem od 6 do 10 satelitów (co najmniej 5
z prawdopodobieństwem 0.9996). Satelity okrążają ziemie dwukrotnie w ciągu doby [3]
Do wyznaczenia pozycji w tym systemie wystarczy jeden odbiornik GPS. Stosując urządzenia do
bezpośredniego odbioru sygnałów z satelitów wspomnianych konstelacji mamy bezpośredni dostęp do metod
ciągłego i precyzyjnego wyznaczania położenia oraz czasu. Otwiera to możliwości zastosowań
w każdej niemal dziedzinie techniki.
System GPS został zaprojektowany dla wyznaczania trójwymiarowych współrzędnych punktu w czasie
rzeczywistym, przede wszystkim dla potrzeb nawigacji. Systemy nawigacji satelitarnej znajdują coraz większe
zastosowanie w wielu dziedzinach życia. Techniki oparte o systemy GPS oraz coraz częściej GLONASS, dają
duże możliwości prowadzenia bezpiecznej nawigacji morskiej, powietrznej i lądowej.
Od 1988 roku możliwe jest korzystanie z systemu lokalizacji o światowym zasięgu. W Stanach
Zjednoczonych uruchomiono, dla celów wojskowych, system NAVSTAR-GPS (Navigation System with Timing
and Rading-Global Positioning System). System ten stworzony został jednak z możliwością wykorzystania przez
cywilnych użytkowników. Podstawą jego projektowania było założenie, że system umożliwia lokalizację:
•
w dowolnym miejscu na kuli ziemskiej
•
w dowolnym czasie,
•
przy dowolnych warunkach pogodowych.
Podstawowymi zaletami systemu jest to, że może z niego korzystać dowolna liczba użytkowników,
a także fakt, że niemożliwe jest ustalenie pozycji użytkownika z zewnątrz.
Dla wyznaczenia punktu w przestrzeni dwuwymiarowej wystarczające są trzy satelity, cztery zaś pozwalają
wyznaczyć położenie punktu w przestrzeni trójwymiarowej, przy czym im większa jest liczba tych satelitów,
tym dokładność wyznaczania położenia punktu jest większa Ponieważ sygnał satelitarny rozchodzi się
prostoliniowo, wysokie przeszkody terenowe mogą ograniczyć jego odbiór. Jest to jedyne występujące w
praktyce ograniczenie możliwości odbioru sygnału. Warunki atmosferyczne, pora dnia nie maja większego
znaczenia dla funkcjonowania systemu. Odbiorniki korzystają zazwyczaj z miniaturowych anten płaskich o
charakterystyce umożliwiającej jednoczesny odbiór z całego obszaru sfery niebieskiej.
Jednak dokładność wyznaczania nawigacyjnego GPS, określanego często jako metoda pojedynczego punktu,
jest ograniczona do kilkudziesięciu metrów. Przybliżone wyznaczanie współrzędnych w czasie rzeczywistym za
pomocą metody pojedynczego punktu GPS jest spowodowane wprowadzeniem przez właściciela systemu GPS
tzw. Selektywnej Dostępnośei (SA - Selective Availability).
W zastosowaniach lądowych GPS jest wykorzystywany głównie w systemach lokalizacji pojazdów.
W komunikacji lotniczej GPS jest na razie stosowany jako system uzupełniający do niezawodnego określania
położenia samolotu.
1. Dokładność pomiaru w systemie GPS
GPS zapewnia dwa poziomy dokładności: Dokładny Serwis Pozycyjny (PPS - Precise Positioning Service)
oraz Standardowy Serwis Pozycyjny (SPS - Standard Positioning Service). PPS zapewnia dane
o pozycji i czasie o wysokiej dokładności, dostępne tylko dla autoryzowanych użytkowników. SPS jest mniej
dokładny, lecz dostępny dla wszystkich użytkowników.
PPS dostarcza informacji o pozycji z dokładnością nie gorszą niż 16 metrów (50%,3D)
i informacji o czasie z dokładnością nie gorszą niż 100 nanosekund (1 sigma) w stosunku do czasu UTC(USNO)
(Universal Coordinated Time US Naval Observatory. PPS dostępny jest jedynie dla autoryzowanych
użytkowników i przeznaczony głównie dla celów wojskowych. Do autoryzowanych użytkowników należą: Siły
Zbrojne USA i NATO. O autoryzacji użytkownika decyduje Departament Obrony USA.
Dostęp do PPS kontrolowany jest dwiema metodami:
•
Ograniczony Dostęp (SA - Selective Availability) pozwala na zmniejszenie dokładności pozycji
i czasu dostępnych dla nieautoryzowanych użytkowników. SA działa poprzez wprowadzanie
kontrolowanych błędów do sygnałów satelity i depeszy satelitarnej. Departament Obrony zadeklarował,
iż w czasie pokoju SA zmniejszy dokładność pozycji dla użytkowników SPS do 100 metrów (95%, 2D).
•
Anti-spoofing (A-S) jest włączany bez ostrzeżenia by uniemożliwić imitowanie sygnałów PPS przez
nieprzyjaciela. Technika ta zmienia kod szyfrując go, w kod oznaczony jako kod Y. Nie ma to wpływu na
odbiór kodu C/A. Klucz do szyfru dostępny jest wyłącznie autoryzowanym użytkownikom umożliwiając
im usunięcie wpływu SA i A-S. W ten sposób uzyskują maksymalną dostępna dokładność.
Odbiorniki PPS mogą używać kodu P(Y), kodu C/A lub obydwu. Największa dokładność uzyskiwana jest
przy użyciu kodu P(Y) sygnałów o częstotliwościach L1 i L2. Różnica w czasie propagacji sygnałów
o różnych częstotliwościach używana jest do wyznaczenia poprawki jonosferycznej.
Zazwyczaj odbiorniki PPS używają kodu C/A w celu inicjacji śledzenia sygnałów satelitów
i wyznaczenia przybliżonej fazy kodu P(Y).
Standardowy serwis pozycyjny dostarcza informacji o pozycji z dokładnością nie gorszą niż 100 metrów
(95%, 2D) w rozwiązaniach dwuwymiarowych i 156 metrów (95%, 3D) w rozwiązaniach trójwymiarowych.
Dokładność informacji o czasie określona jest na nie gorszą niż 337 nanosekund (95%) w stosunku do skali UTC
(USNO). SPS przeznaczony jest głównie dla użytkowników cywilnych.
Wymieniona dokładność zawiera wpływ SA, który jest głównym źródłem błędów SPS. Rozkład błędów
wyznaczenia pozycji przypomina rozkład normalny z długookresową średnią równą zeru.
SA-uniemożliwia użytkownikom SPS dostęp do kodu Y. Tak więc użytkownicy SPS nie mogą opierać się na
bezpośrednim pomiarze kodu P, by zmierzyć dokładnie różnice w propagacji częstotliwości L1 i L2, a zatem
określić wielkość poprawki jonosferycznej - kod C/A nadawany jest tylko na częstotliwości L1. Typowy
odbiornik SPS do wyznaczenia poprawek jonosferycznych używa modelu jonosfery transmitowanego w depeszy
satelitarnej, jest to procedura znacznie mniej dokładna niż pomiar na dwóch częstotliwościach. Dokładność
pozycji przy użyciu SPS podana na początku tego punktu uwzględnia też błąd modelowania jonosfery.
Odbiorniki geodezyjne używają rozmaitych wyrafinowanych metod do określenia różnicy czasów propagacji,
bez jawnej znajomości transformacji kodu P do Y.
Sztucznie wprowadzone i niektóre naturalne ograniczenia dokładności mogą być w dużym stopniu
wyeliminowane przy użyciu technik różnicowych. Techniki te polegają na wykorzystaniu poprawek
wyznaczanych przez precyzyjne zlokalizowane odbiorniki, zwane stacjami referencyjnymi. Poprawki różnicowe
mogą być wprowadzane po pomiarze, lub w czasie rzeczywistym, w tym ostatnim wypadku do ich transmisji
wykorzystuje się łącza radiowe. W najbliższym czasie przewiduje się upowszechnienie systemów dystrybucji
poprawek różnicowych z pokładu satelitów komunikacyjnych.
W zastosowaniach geodezyjnych stosowane są rozmaite metody wykonywania pomiarów. Metoda statyczna
umożliwia uzyskanie dokładności milimetrowych w trakcie sesji pomiarowych trwających od 10 do 20 min. W
metodzie pseudokinematycznej wykonuje się dwie 5-cio minutowe sesje przedzielone przerwą ok 1 godz.
Umożliwia uzyskanie dokładności rzędu 20 cm. Metoda kinematyczna ("stop-and-go") wymaga zainicjowania
pomiaru polegającym na ustawieniu dwóch anten nad znanym punktem
(z dokładnością do 2-3 cm) lub wykonaniu pomiaru w dwóch punktach metodą statyczną. Następnie wykonuje
się pomiary statyczne (2-4 min) w różnych punktach za pomocą jednego z odbiorników. Uzyskuje się
dokładność rzędu 1-5 cm.
Wyznaczanie pozycji w czasie rzeczywistym (RTK - Real Time Kinematic) przy wykorzystaniu programu
PNAV (Precise Navigation - nawigacja precyzyjna) firmy Ashtech. W zależności od mierzonej długości (1000 -
2500 m) i liczby satelitów (>6) wyniki z dokładnością ok 1 cm uzyskuje się po ok. 7 - 25 min obserwacji.
Wraz z powszechnym udostępnienia systemu GPS została zmmiejszona dokładność określania pozycji
poprzez wprowadzenie systemu Selektywnej Dostępności (SA - Selective Availability). Jednak nawet bez
wprowadzenia SA dokładność uzyskiwana za pomocą odbiornika jedno kodowego nie spełniałaby wszystkich
wymagań dokładności w ogólnej nawigacji. Jest to istotne zwłaszcza na podejściach do portów oraz w akwenach
cieśninowych, nie mówiąc już o wymaganiach w zakresie dokładności prowadzenia nawigacji podczas realizacji
wielu zadań i prac specjalnych (pomiary hydrograficzne, badania geofizyczne
i geologiczne, eksploatacja zasobów, potrzeby wojskowe itp.).
Selektywna Dostępność (SA) jest stosowana w celu uniemożliwienia ogółowi użytkowników systemu GPS
dokładnej nawigacji, wyznaczania współrzędnych w czasie rzeczywistym za pomocą metody pojedynczego
odbiornika GPS. SA jest realizowana poprzez wprowadzenie dwóch rodzajów błędów: orbitalnego oraz zaburzeń
zegara satelitarnego (clock dithering). Współrzędne wyznaczane metodą pojedynczego punktu są obarczane
blisko 10 razy większymi błędami w przypadku występowania SA niż
w przypadku gdy to zakłócenie nie funkcjonuje.
Z analizy wyników pomiarów przeprowadzanych metodą pojedynczego punktu przy użyciu różnych typów
odbiorników nawigacyjnych wynika, że są one obarczone wpływem Selektywnej Dostępności (SA), której
charakterystyczną cechą jest występowanie quasi-oscylacji, spowodowanych zaburzeniami zegara satelitarnego.
W oparciu o odpowiednio zaplanowane, a następnie przeprowadzone wielokrotnie pomiary w różnych porach
doby, różnych miejscach i różnymi odbiornikami można przyjąć hipotezę, że półokres quasi-oscylacji wynosi
około 5 minut.
Zgodnie z oficjalnym stanowiskiem rządu USA, błędy SA są i będą utrzymywane na takim poziomie, aby
błąd współrzędnych poziomych, wyznaczanych za pomocą metody pojedynczego punktu GPS, nie przekroczył
l00 m, na poziomie istotności 95 % i w ciągu 95 % czasu eksploatacji systemu GPS. SA była uaktywniona tylko
z niewielkimi przerwami od listopada 91 do chwili obecnej [6].
Występowanie SA można stwierdzić monitorując wartości współrzędnych wyznaczonych za pomocą metody
pojedynczego punktu. Innym sposobem stwierdzenia SA jest monitorowanie prędkości zmian wielkości
nawigacyjnych na obiekcie stacjonarnym. Gdy SA nie występuje, te prędkości zmiany są na zerowym poziomie z
powodu długookresowych charakterystyki błędów orbity, troposfery i jonosfery. Natomiast podczas działania SA
prędkości te wynoszą do 0.05 m/s ze względu na szybko zmieniający się błąd zegara satelitarnego.
Wyniki pomiarów przeprowadzonych metodą pojedynczego punktu obarczone są wpływem Selektywnej
Dostępności, którego charakterystyczną cechą jest występowanie quasi-oscylacji, spowodowanych zaburzeniami
zegara satelitarnego.
Na podstawie przeprowadzonych wielokrotnie pomiarów w różnych porach doby, różnych miesiącach,
różnych miejscach i z różnymi odbiornikami można przyjąć hipotezę, że półokres quasi-oscylacji wynosi około 5
minut [6 ].
2. Sygnał GPS
Sygnał emitowany przez satelity GPS ma postać fali nośnej, kodowanej fazowo sygnałami:
•
informacyjnym, o prędkości 50 bitów na sekundę,
•
pseudolosowym kodem C/A, taktowanym częstotliwością 1,023 MHz,
•
pseudolosowym kodem P, taktowanym częstotliwością 10,23 MHz,
•
pseudolosowym kodem Y, taktowanym częstotliwością około 0.5 Hz.
Wszystkie sygnały taktujące i fala nośna tworzone są w oparciu o ten sam sygnał częstotliwości wzorcowej.
Częstotliwości fal nośnych oznaczanych symbolami L1 i L2 wynoszą odpowiednio 1575,42
i 1227,60 MHz. Sygnał nadawany na częstotliwości L2 nie jest modulowany kodem C/A. Kod Y jest nadawany
przy włączonym systemie zapobiegania intencjonalnym próbom zakłócenia pracy urządzeń GPS, określanym
terminem "Anti-spoofing". Wydzielając sygnał związany z kodem C/A możemy zaniedbać składniki związane z
modulacją kodami P i Y.
Wielkościami pomiarowymi uzyskiwanymi z sygnału satelitów GPS są:
•
pseudodległość, wielkość różniąca się o stałą od czasu propagacji sygnału pomnożonego przez prędkość
światła. Pseudoodległość może być wyznaczana w oparciu o pomiary składowych sygnału związanych z
modulacją kodem C/A lub P. Pomiar pseudoodległości przy użyciu składowej związanej z kodem P
charakteryzuje się większą precyzją. Typowa dokładność pomiaru z użyciem kodu C/A wynosi: 3-30 m, z
użyciem kodu P: 0.3-3 m. Nieoznaczoność związana z pomiarem przy użyciu kodu C/A jest rzędu 300
metrów, kodu P 30 metrów. Nieoznaczoności te są proste do usunięcia. Współczesne odbiorniki korygują
pomiar pseudoodległości w oparciu o pomiar scałkowanej fazy fali nośnej.
•
faza odtworzonej fali nośnej. Typowa dokładność tego pomiaru jest rzędu 1 mm. Pomiar fazy
charakteryzuje się nieoznaczonością o wielkości równej długości fali nośnej - około 19cm. Gdy
zastosowane rozwiązanie techniczne nie pozwala na bezpośrednie wyodrębnienie fali nośnej z uwagi na
system "Anti - Spoofing", pomiar fazy na częstotliwości L1 charakteryzować się może nieoznaczonością
1/2 długości fali i zazwyczaj obarczony jest dodatkowymi błędami. Usuwanie nieoznaczoności w
pomiarach fazowych jest złożonym procesem obliczeniowym, o komplikacji wzrastającej z odległością
pomiędzy współpracującymi odbiornikami.
•
zintegrowana faza odtworzonej fali nośnej. Jest to wielkość analogiczna do pseudoodległości,
mierzona jednak ze znacznie większą dokładnością. Ciągłe śledzenie fali nośnej ogranicza ilość wielkości
nieoznaczonych do jednej, związanej z wartością fazy w momencie rozpoczęcia pomiaru.
Poza wymienionymi wcześniej, sztucznie wprowadzanymi zniekształceniami sygnału i informacji
satelitarnej, najpoważniejszymi źródłami błędu są:
http://notatek.pl/systemy-informatyczne-w-transporcie?notatka