Technologie GPS aneb Autem a pěšky za svým cílem https://www.stream.cz/uservideo-43919/44573-geocaching-a-zivot-geocachera

GPS Správněji GNSS (Global Navigation Satellite System) Global Positioning System Vojenský globální družicový systém provozovaný MO Spojených států amerických Část systému přístupná i pro civilní použití Roční náklady 600 – 900 M$ (celkem odhad přes 12 G$)

Historie První lokalizační systémy již za 2.sv.v., první družicové systémy úhloměrné a dopplerovské (60. léta, Transit, Cikada) 1973 zahájeny práce na systému NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System) 1974 – 1979 testy na pozemních stanicích a vytvořeny experimentální přijímače 1978–1985 začalo vypouštění 11 vývojových družic bloku I 1979 byl rozšířen původní návrh z nedostačujících 18 na 24 družic 1980 doplněny detektory jaderných výbuchů 1983 oznámenu uvolnění pro civilní použití (KAL 007) 17. ledna 1994 plná operační dostupnost (24 družic) 1.5.2000 zrušena selektivní dostupnost

Používané systémy NAVSTAR GPS (USA) GLONASS (Rusko) Galileo (EU) Compass (Čína)

Navstar GPS Jediný plně funkční systém Běžně dostupné přijímače Civilní i vojenské použití

Princip satelitní navigace Radiový dálkoměrný systém známe-li dobu šíření, můžeme vypočítat vzdálenost: x = t . v t doba šíření signálu v rychlost šíření signálu (v = c)

Princip určení pozice Jedna určená vzdálenost = povrch koule Dvě vzdálenosti = kružnice Tři vzdálenosti = 2 body

Problém časové synchronizace K určení vzdálenosti musíme znát přesnou dobu šíření = nutnost synchronizace hodin (1 mikrosekunda … 300m) Na palubě satelitů atomové hodiny V přijímači „jen“ krystalový oscilátor Jak zajistit synchronizaci?

Synchronizace hodin Pozice v prostoru ECEF(X,Y,Z) Rovnice koule (X − xn)2 + (Y − yn)2 + (Z − zn)2 = [(T − tn)c]2 Kde (x,y,t) je známá pozice družice T je lokální čas přijímače Při znalosti x,y,z,t pro 4 družice můžeme řešit jako soustavu 4 rovnic, výsledek je potom X,Y,Z,T (nebo WGS84(lat,lon,HAE,UTC) )

Komponenty GPS Kosmický segment - družice Řídící segment – pozemní řídící stanoviště Uživatelský segment - přijímače

Kosmický segment Projektován pro 24 satelitů (6 drah se skonem 55° po 60° po 4 satelitech, pravidelný rozestup) Aktuálně 30 satelitů (4 – 6 na dráze) Kruhová dráha, 20 200 km (doba oběhu 11hod 58min) Hmotnost 1,8 t, plánovaná životnost cca. 10 let, obměna celého segmentu 20 let Hydrazinové korekční motory, 3-osá stabilizace

Dráhy satelitů GPS

Satelity GPS Vypouštěny po blocích (nyní 6. blok) Vybaveny 3-4 přesnými atomovými hodinami (10-13, rubidiový, dříve cesiový oscilátor) Antény pro komunikaci s pozemními stanicemi – S pásmo 2204,4 MHz Antény UHF pro vzájemnou komunikaci družic Solární baterie, optické, RTG a EMP senzory (detekce startů balistických raket a nukleárních výbuchů) 12 RHCP antén pro L pásmo (1000 – 2000 MHz)

GPS IIRM8

Vysílané signály L1 (1575,42 MHz), vysílán C/A kód dostupný pro civilní sektor L2 (1227,62 MHz), vysílán vojenský P(Y) kód L3 (1381,05 MHz) obsahuje data monitorování startů balistických raket, detekce jaderných výbuchů a dalších vysokoenergetických zdrojů L4 (1841,40 MHz) měření ionosferické refrakce L5 (1176,45 MHz) civilní Safety-of-life (SoL) signál. Tato frekvence spadá do mezinárodně chráněné oblasti letecké navigace. CDMA modulace, DSSS

Informace v signálu Almanach – informace o jednotlivých družicích. Velikost 37 500 bitů (rychlost 50 bps = 12,5 min !!!) Efemeridy - přesné pozice družic Vzhledem k době načtení almanachu je vhodné zapnout přijímač v místě silného signálu Úroveň signálu -125 dBm (0,1 uV), citlivost až -160 dBm (2 nV !!!!!!)

Selektivní dostupnost Záměrné vnášení chyby (+/- 100m) Vypnuta 1.5.2010 Může být opět zaktivována Vnášena chybou časových značek (lze kompenzovat) nebo chybou efemeridy

Řídící segment velitelství - Navstar Headquarters na letecké základně Los Angeles v Californii v USA. řídicí středisko (MSC, Master Control Station), na letecké základně Schriever USAF v Colorado Springs, 2nd Space Operations Sq. Záložní řídící středisko (BMCS, Backup Master Control Station) umístěné v Gaithersburg (Meryland, USA) přebírá cvičně 4× do roka řízení systému, v nouzi je připravena do 24hodin.

Řídící segment 3 povelové stanice (Ground Antenna), které jsou umístěny na základnách USAF: Kwajalein, Diego Garcia, Ascension Island případně i Cape Canaveral. 18 monitorovacích stanic (Monitor Stations), které jsou umístěny na základnách USAF: Havaj, Colorado Springs, Cape Canaveral, Ascension Island, Diego Garcia, Kwajalein a dále stanice spravující NGA: Fairbanks (Aljaška), Papeete (Tahiti), Washington DC (USA), Quitto (Ekvádor), Buenos Aires (Argentina), Hermitage (Anglie), Pretoria (Jižní Afrika), Manama (Bahrain), Osan (Jižní Korea), Adelaide (Austrálie) a Wellington (Nový Zéland).[13]

Funkce řídícího segmentu data pro model ionosférické refrakce predikce dráhy družice, tzv. efemerid korekce atomových hodin přibližné pozice ostatních družic a jejich zdravotní stav

Uživatelský segment Přijímače: jednofrekvenční dvoufrekvenční vícefrekvenční (připravují se pro pásmo L5) jednokanálové (používané v raných fázích projektu GPS) vícekanálové Běžně dostupné přijímače k amatérskému (tj. negeodetickému a nevojenskému) vyžití se vyrábí jako jednofrekvenční, vícekanálové a kódové. Jednoduchý přijímač signálu GPS pro se skládá z antény, předzesilovače, procesoru, časové základny (často křemíkový krystal o přesnosti <10-6s) , komunikačního rozhraní

Uživatelé GPS autorizovaní uživatelé (vojenský sektor USA a vybrané spojenecké armády) využívají službu Precise Positioning Service (PPS) klíče k P(Y) kódu na frekvencích L1 a L2. Tito uživatelé mají zaručenou vyšší přesnost systému. Uplatňují se především v aplikacích: podpora velení a vojáků v poli doprava navádění zbraňových systémů vojenská geodézie a mapování přesný čas (<10-7s)

Uživatelé GPS ostatní uživatelé (především civilní sektor) využívají Standard Positioning Service (SPS) C/A kód na frekvenci L1. Přijímače vyrobené v USA nesmějí být exportovány, pokud nemají nastavená omezení výšky do 18 km (60 000 ft) a rychlosti do 515 m/s (1 000 knots). Tyto limity vychází z prevence možného zneužití jako systému orientace v prostoru ve zbraních obdobných balistickým raketám nebo střelám s plochou dráhou letu. Typickými profesemi a odvětvími civilních uživatelů jsou: doprava (pozemní doprava, letectví, námořnictvo, kosmické lety) geologie a geofyzika geodézie a geografické informační systémy archeologie lesnictví a zemědělství turistika a zábava přesný čas (<10-6s)

Přesnost Na přesnost mají vliv zejména tyto vlivy: Efemeridy družic ± 2,1m Nepřesné oběžné dráhy (anomálie) Družicové hodiny ± 2,1m Relativistické efekty (gravitace, rychlost, +45,5×10−9% oproti pozemským hodinám, kompenzace hw f=10,22999999543 MHz) Ionosférická refrakce ± 4,0m Vliv volných elektronů a iontů, kompenzace L1 a L2 Troposférické refrakce ± 0,7m Vícecestné šíření signálu ± 1,4m Přijímač ± 0,5m

Metody zvýšení přesnosti Diferenciální GPS Jedna GPS na známé pozici, druhá měří. První informuje druhou o aktuální chybě. Možná přesnost až na úrovni jednotek cm (fázová detekce). WAAS / EGNOS Síť pozemních referenčních stanic, signál z nich distribuován pomocí geostacionárních satelitů (Sat 33/37/39/44). Podpora v některých GPS (Garmin SIRF Star III). Přesnost 95% měření pod 1,5 m. Pozor na statickou navigaci !!!!!!

Srovnání přesností

Systém Galileo Projekt EU Původně plánován od roku 2010, nyní nejdříve od 2014 30 operačních družic, 23 000 km, 3 dráhy se sklonem 56 ° , na každé 9 + 1 satelit

Galileo – dostupné služby Open Service (OS) - volně dostupnáslužba 2 pásma: 1164–1214 MHz a 1563–1591 MHz. horizontální přesnost pod 4 m vertikální lepší než 8 m (nebo horizontálně pod 15 m a vertikálně pod 35 m při použití jednoho pásma). Přijímače kompatibilní s GPS Commercial Service (CS) – šifrovaná Zpoplatněna, přesnost lepší než OS. Safety of Life Service (SOL) - šifrovaná důraz na integritu a bezpečnost, pro nasazení např. v řízení letového provozu. Search and Rescue (SAR) služba nouzové lokalizace v rámci celosvětové družicové záchranné služby COSPAS/SARSAT s možností oboustranné komunikace. Public Regulated Service (PRS) – šifrovaná kontrolovaný přístup a dlouhodobá podpora, určeno pro armády a bezpečnostní složky států

Galileo - historie 28.12.2005 vynesena první technologická navigační družice Giove-A pro testování komponent (Bajkonur, Sojuz-FG/Fregat) 27.4.2008 druhá družice Giove-B (Bajkonur, Sojuz/Fregat) Řídící středisko pravděpodobně v Praze Budoucnost ?????

Glonass (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) Vývoj zahájen v r. 1970 1982 první testovací družice 1996 – 2001 úpadek systému Od r. 2001 znovuobnovení do částečně operačního stavu (plný stav 2012) Nyní spolupráce s Indií 24 družic (rozdílné kmitočty) na 3 drahách se sklonem 65°, výška 19100 km

GPS přijímače Mapové x nemapové Autonavigace Turistické Součást mobilů a PDA Speciální (námořní, letecké, geogetické …)

Autonavigace Mapové podklady Hledání tras Hlasový výstup Velký display Kontrola rychlosti, databáze radarů Hlídání přestávek Příjem aktuálních dopravních informací

TomTom 950 Mapy Evropy Hand-sfree Inteligentní routování RDS TMC Integrovaný FM vysílač Dálkový ovladač

Garmin Nüvi 3760 Otočný display Mapy Evropy (i doživotní) Hand-sfree Inteligentní routování RDS TMC trafficTrends, my Trends

Integrované autonavigace Obvykle velmi drahé, ale velmi zajímavé funkce: Jízda v tunelu Nastavení světel Nastavení automatické převodovky Head-up display Propojení s ostatním vybavením automobilu

Turistické (outdoor) Vysoká odolnost Dlouhá výdrž baterií Magnetický kompas (i 3D) Barometrický výškoměr Další funkce (Wherigo, GPX …) Podpora pro Geocaching

Garmin eTrex Vista HCx Mapy Výpočet trasy Barometrický výškoměr Elektronický kompas Slot na karty micro SD Životnost baterií až 25 hodin

Garmin GPSMAP 62s Robustní a odolná konstrukce Vysoce citlivý GPS přijímač 3-osý kompas Barometrický výškoměr Slot na microSD kartu Bezdrátové sdílení dat Možnost nahrání rastrových map (letecké snímky, papírové mapy) dlouhá výdrž baterie (až 20 hodin, 2x AA) Podpora pro Geocaching

Garmin Oregon 550 Fotoaparát 3,2 Mpixel 3-osý kompas Na slunci čitelný dotykový displej Barometrický výškoměr Vysoká citlivost přijímače Bezdrátové sdílení dat Podpora GPX Wherigo Snímač rychlosti šlapání Snímač tepové frekvence Dlouhá výdrž baterií (2x AA)

Wherigo Vytvořeno společností Groundspeak Prostředek pro hraní her v terénu nebo pro vytváření interaktivních průvodců Základem je „cartridge“ (program) s dialogy, obsah řízen pozicí v terénu a interakcí uživatele

Navigace v mobilních telefonech Vždy po ruce Online služby Jedno zařízení Řešení Google Zápory Životnost baterií Horší citlivost

Jiné využití Časový etalon Bezpečnostní systémy Vyhledávací a lokalizační systémy Elektronické knihy jízd Mýtné systémy

A budoucnost ? ???