gps sistem

Računarske mreže i komunikacije Tehnička škola Prijepolje_____________________________________________________________________

Sadržaj

1 Uvod.......................................................................................................................- 2 -2 Istorija.....................................................................................................................- 2 -3 Šta je GPS?.............................................................................................................- 3 -4 Osnove rada............................................................................................................- 4 -5 Tehnički opis sistema.............................................................................................- 6 -

5.1 Komponente sistema........................................................................................- 6 -5.1.1 Komponenta u vasioni..............................................................................- 6 -5.1.2 Kontrolna komponenta.............................................................................- 7 -5.1.3 Korisnička komponenta............................................................................- 8 -

5.1.3.1 Radio Prijemnik.................................................................................- 9 -5.2 Navigacioni signali........................................................................................- 10 -

5.2.1 Osnovni navigacioni signali...................................................................- 10 -5.2.2 Detaljnije o navigacionim signalima......................................................- 11 -

5.3 Proračun pozicije...........................................................................................- 11 -5.4 Preciznost i faktori koji unose grešku............................................................- 12 -

5.4.1 Atmosferski efekti..................................................................................- 13 -5.4.2 Višestruke putanje signala......................................................................- 13 -5.4.3 Nepreciznost satelitskih časovnika.........................................................- 14 -5.4.4 Nepreciznost podataka o poziciji satelita...............................................- 14 -5.4.5 Uticaj geometrije satelita........................................................................- 14 -5.4.6 Numeričke greške...................................................................................- 14 -5.4.7 Ostali izvori grešaka...............................................................................- 14 -

5.5 Tehnike za poboljšanje preciznosti................................................................- 15 -5.5.1 Augmentacija..........................................................................................- 15 -

5.5.1.1 Diferencijalni GPS...........................................................................- 16 - 5.5.1.2 Oblasni sistemi augmentacije u vazduhoplovstvu...........................- 17 -

5.5.2 Precizno praćenje signala.......................................................................- 19 -5.6 Tačnost GPS pozicioniranja..........................................................................- 19 -

5.6.1 Pozicioniranje samostalnim prijemnikom..............................................- 19 -5.6.2 Prijemnici sa P(Y) kodom......................................................................- 20 -5.6.3 GIS prijemnici........................................................................................- 20 -5.6.4 Geodetski prijemnici...............................................................................- 21 -5.6.5 Šta vam je potrebno?..............................................................................- 21 -

6 Primena.................................................................................................................- 22 -7 Ostali sistemi za satelitsko pozicioniranje............................................................- 24 -8 Literatura..............................................................................................................- 25 -

_____________________________________________________________________1


1 Uvod

Pod navigacijom podrazumevamo nauku koja se bavi analizom putovanja (Latinski: navigatio, što znači plovljenje), odnosno orjentacijom, nekog objekta ili pojedinca na putu od tačke do tačke. Navigacija je veoma prisutna u savremenom životu svakog pojedinca. Vožnja do radnog mesta ili prodavnice, podrazumeva nizak nivo navigacije. U drugim oblastima transporta, morskim, drumskim ili vazdušnim, potrebno je mnogo preciznije navigaciono poznavanje.

Ima i aplikacija, na primer u geodeziji, gde je veoma bitno precizno poznavanje pozicije. U tu svrhu je razvijen NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Time And Ranging Global Positioning System). Danas je u upotrebi i GLONASS (Global Navigation Satellite System), Ruski sistem globalne navigacije, A ovih godina se intenzivno radi na razvoju GALILEO sistema.

Danas GPS sistemi nalaze široku pimenu u skoro svim oblastima tehnike i svakodnevnog života. Pored već klasične primene u putnom, železničkom transportu i moreplovstvu, GPS nalazi primenu i u vazduhoplovstvu. Pored toga sve je veća primena u GIS sistemima (Geographic Information Systems), geodeziji, građevinarstvu, rudarstvu, poljoprivredi i drugo. Posredstvom GPS prijemnika na mestu prijema se raspolaže oscilatorom tačnosti atomskog časovnika, što nudi niz novih aplikacija u određivanju preciznog vremena, visoke rezolucije. Nalazi primenu u energetskim sistemima, u sinhronizaciji telekomunikacionih mreža, seizmičkim i astronomskim merenjima i istraživanjima. Veoma važna aplikacija je i generisanje tačnih i stabilnih frekvencija za sinhronizaciju u savremenim digitalnim telekomunikacionim mrežama, velikih kapaciteta.

Sistem globalnog pozicioniranja predstavlja revolucionarni pomak u navigaciji. Tačnost, efikasnost i pouzdanost izdvajaju ga od ostalih i čine najboljim.

2 Istorija

Početkom sedamdesetih godina javlja se potreba za povećanjem preciznosti pri određivanu pozicije, koja je bila najuočljivija u vazduhoplovstvu. Aprila 1973. godine, komande Američkog Ratnog Vazduhoplovstva i Ratne Mornarice ujedinile su napore u nameri da razviju jedinstven Odbrambeni Navigacijski Satelitski Sistem (DNSS). Nosilac projekta postalo je vazduhoplovstvo SAD, a projekat dobija konačan naziv NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Time And Ranging Global Positioning System).

Početkom 1974. godine Američko ministarstvo odbrane donosi odluku o finansiranju ovog projekta i postavlja sledeće zahteve:

o tačnost pozicioniranja sa greškom od 2 do 5 metara o brzina pozicioniranja, trenutno dobijanje koordinata pozicije o raspoloživost 24h dnevno bez mrtvih uglova prijema o tajnost, takva da pruža zaštitu od neovlašćenog korišćenja

_____________________________________________________________________2


o jednostavnost, tj. lako korišćenje sistema.

GPS je prvobitno razvijen isključivo kao sistem za jačanje vojne prevlasti SAD, ali budući da je pokazao značajan potencijal koji može biti koristan raznim sferama društva, razvijene su 2 službe GPS:

o PPS – Precision Positioning Service (Prvenstveno namenjena vojsci SAD)

o SPS - Standard Positioning Service (Dostupna svim korisnicima)

1980. je stavljen na raspolaganje i za civilne potrebe. Razvoj sistema je počeo 1973. godine, prvi satelit lansiran je 1978, sadašnji broj od 24 aktivna satelita dostignut je 1994, a sistem proglašen potpuno operativnim 1995. godine. Prosečan vek jednog satelita je desetak godina a održavaju se i zamenjuju sredstvima iz budžeta Ministarstva odbrane. Godišnji troškovi održavanja sistema su oko 750 miliona američkih dolara.

3 Šta je GPS?

GPS - Globalni Pozicioni Sistem (Global Positioning System) je sistem za pozicioniranje pomoću satelita.

Izgled satelita

Sastoji se iz tri segmenta, od kojih je primarni vasionski koji čine 24 satelita. Preostali segmenti su kontrolni, koji upravlja i prati kretanje satelita i na kraju korisnički. Sistem je razvijen za potrebe američkog ministarstva odbrane da bi nakon nekoliko godina bio odobren i za civilnu upotrebu.

GPS sateliti pokrivaju celu zemljinu kuglu. Merenjem dužina do satelita, moguće je odrediti položaj biilo koje tačke na zemlji sa tačnošću od nekoliko desetina metara do samo nekoliko milimetara.

GPS signali su potpuno besplatni. Svakim danom GPS prijemnici su sve manji i tačniji. Njihova primena je neograničena.Viđamo ih u kolima kao sisteme za navigaciju, zatim brodovima i avionima. Koriste se za merenja u geodeziji, rudarstvu, geologiji, građevini i brojnim drugim strukama. Koriste se i za kontrolu položaja i daljinsko upravljanje mašinama.Čak i izletnici mogu da koriste GPS za pouzdanu i brzu orijentaciju i navigaciju na terenu.

_____________________________________________________________________3


4 Osnove rada

Izmerene udaljenosti sa greškom su predstavljene kao krivine, treba ih korigovati za istu vrednost da bi se sekle u istoj tački. Ova slika je dvodimenzionalna ilustracija, u stvarnosti se radi o trodimenzionalnom problemu.

GPS Prijemnik je uređaj koji proračunava svoju poziciju na osnovu merenja udaljenosti od tri ili više GPS satelita. Svaki satelit emituje mikrotalasnu sekvencu radio signala koja je poznata prijemniku. Dok prijemnik prima taj signal, u stanju je da odredi vreme koje protekne od emitovanja radio signala sa satelita do prijema na svojoj poziciji. Udaljenost prijemnika od satelita se proračunava na osnovu tog vremena, budući da radio signal sa kog se emituje. Ako se zna udaljenost prijemnika od satelita i pozicija satelita, poznato je da se prijemnik nalazi negde na sferi određene dimenzije u čijem je centru satelit. Pošto su poznate pozicije tri satelita i udaljenost prijemnika od svakog od njih, postupkom trilateracije se može odrediti pozicija prijemnika. Trilateracija se bazira na činjenici da se tri sfere seku u najviše dve tačke (od kojih jedna obično nema smisla).

Emitovanje signala sa jednog satelita

Emitovanje dva signala

_____________________________________________________________________4


Emitovanje tri signala

Ovaj princip rada podrazumeva da su časovnici na svim satelitima, kao i na prijemniku potpuno sinhronizovani, da bi se vremenski razmak između poznate sekvence signala sa satelita i na prijemniku tačno izmerio. Na satelitima se nalaze atomski časovnici, veoma precizni i skupi. Međutim, prijemnik ima daleko manje precizan časovnik, kristalni oscilator. Nedostatak preciznosti se rešava uvođenjem merenja udaljenosti od još jednog satelita. Sat na prijemniku uvodi istu vremensku i prostornu grešku kada proračunava udaljenost od sva četiri satelita. Može se izračunati za koliko treba korigovati sat da bi se četiri sfere sekle u jednoj istoj tački. Na taj način se sat na prijemniku neprekidno koriguje. Jedna od primena GPS-a je veoma precizno računanje vremena i sinhronizacija časovnika .

_____________________________________________________________________5


5 Tehnički opis sistema

5.1 Komponente sistema

GPS sistem se sastoji od tri komponente: komponente u vasioni, kontrolne komponente i korisničke komponente.

Grafički prikaz komponenti (kontrolni,korisnički i vasionski)

5.1.1 Komponenta u vasioni

_____________________________________________________________________6


GPS sateliti u orbiti Zemlje Planarni prikaz putanja satelita

Komponentu u vasioni čine GPS sateliti u orbiti Zemlje. Broj i raspored satelita se menjao tokom vremena, a tehnička izvedba napredovala, kako se GPS sistem razvijao. Blok I sateliti su puštani u rad od 1978. do 1985. godine i do danas su svi van funkcije.

Originalni koncept Blok II satelita predstavljaju 24 GPS satelita koji se kreću u 6 orbitalnih ravni, ravnomerno raspoređenih u odnosu na Zemlju, koje su nagnute pod uglom od 55° u odnosu na ekvatorijalnu ravan. Orbitalne ravni ne rotiraju u odnosu na udaljenje zvezde. U svakoj orbitalnoj ravni se kreću po 4 satelita, po orbitama koje su skoro kružne (ekscentričnost elipse 1°), međusobno pravilno raspoređeni po kružnici orbite, pod uglom od 90 stepeni. Svaki od satelita jednom obiđe svoju orbitu za 12 časova orbitirajući na visini od 20.200km i krećući se brzinom malo iznad 11.200km/h., tako da u odnosu na površinu Zemlje svaki satelit svakog dana obiđe istu putanju. Ovaj broj i pravilan raspored satelita garantuje da se sa svake tačke na Zemlji u svakom trenutku na horizontu nalazi bar četiri satelita. (To su četiri satelita potrebna za određivanje pozicije GPS prijemnika. ). Koriste solarnu energiju a imaju i baterije koje im obezbeđuju rad u periodima kada su na tamnoj strani Zemlje. Težina jednog satelita je oko 900kg a sa raširenim solarnim panelima prečnik mu iznosi oko 5m. Snaga predajnika je samo 50 vati ili i manje od toga.

Pošto sateliti izlaze iz funckije zbog održavanja, kvarova ili isteka radnog veka, oko Zemlje kruži više satelita i često ih je aktivno više od 24. Sada je 30 GPS satelita u funkciji.

_____________________________________________________________________7


5.1.2 Kontrolna komponenta

Kontrolna sala Šema kontrole satelita

Kontrolnu komponentu čine stanice za praćenje satelita, kontrolna stanice i zemljišne antene. Stanice za praćenje satelita se nalaze na Havajima, Kvajlin ostrvu, Aknezijskom ostrvu, ostrvu Dijego Garsija i Kolorado Springsu, u Koloradu. Uloga ovih stanica je da prate kretanje satelita i podatke šalju glavnoj kontrolnoj stanici u Kolorado Springsu. Tu se vrše proračuni i preko zemljišnih antena koje se nalaze na Kvajlin ostrvu, Aknezijskom ostrvu, i ostrvu Dijego Garsija , satelitima se šalju

_____________________________________________________________________8


ažurirani podaci o njihovoj tačnoj poziciji i vremenu. Ažuriranje se vrši dva puta dnevno, čime se vrše fina podešavanja sistema. Novija generacija satelita je u stanju da međusobno komunicira i sinhronizuje podatke, pa preciznost određivanja pozicije ne bi bila bitno narušena ni kad bi sateliti danima radili nezavisno od kontrolne komponenete na Zemlji.

5.1.3 Korisnička komponenta

GPS prijemnici kao samostalni uređaji , ovde prikazani od proizvođača Trimble, Garmin, Leica i Garmin(nuvi) (sleva na desno).

Korisničku komponentu čine GPS prijemnici na Zemlji. Prijemnici mogu biti komponente uključene u druge uređaje, kao npr mobilni telefon, časovnik i slično, ili samostalni uređaji. Na primer, GPS prijemnik baziran na SiRF Star III čipu ima dimenzije samo 12 x 15 mm. Drugi, samostalni uređaji, imaju displej za prikazivanje pozicije, brzine i/ili vremena i mogu imati interfejse sa drugim uređajima.

Osnovne komponente GPS prijemnika su antena podešena na frekvencije GPS satelita, kristalni oscilator koji služi kao časovnik, ulazno-izlazni interfejs, napajanje i mikroprocesor koji obrađuje signale.

Prijemnici se često opisuju prema tome koliko kanala imaju. Svaki kanal prati po jedan satelit. Stariji modeli su imali četiri do pet kanala, a današnji uglavnom 12 do 20 kanala.

GPS prijemnici mogu imati u sastavu komponentu koja prima diferencijalne signale. Diferencijalni signal se dobija preko standardnog RS-232 porta ili preko interne antene. Od 2006. godine čak i jeftini prijemnici uključuju i prijemnike za oblasne sisteme augmentacije.

Neki GPS prijemnici komuniciraju sa drugim uređajima preko serijskih interfejsa kao što su USB ili Bluetooth, koristeći standardne protokole. NMEA 0183 i NMEA 2000 su široko rasprostranjeni protokoli. Iako su zaštićeni protokoli , objavljeno je dovoljno javnih dokumenata koji ih opisuju da se mogu koristiti bez kršenja autorskih prava. Postoje i drugi protokoli, kao SiRF i MTK.

Blok dijagram GPS prijemnika je dat na slici.

Satelitska antena prima signale iz L banda, na frekvencijama .

_____________________________________________________________________9

http://sr.wikipedia.org/sr-el/Globalni_pozicioni_sistem#Oblasni_sistemi_augmentacije_u_vazduhoplovstvu%23Oblasni_sistemi_augmentacije_u_vazduhoplovstvu

http://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=RS-232&action=edit&redlink=1

http://sr.wikipedia.org/sr-el/Globalni_pozicioni_sistem#Diferencijalni_GPS%23Diferencijalni_GPS

http://sr.wikipedia.org/sr-el/Globalni_pozicioni_sistem#Diferencijalni_GPS%23Diferencijalni_GPS


Blok šema GPS prijemnika

5.1.3.1 Radio Prijemnik

Radio prijemnik GPS prijemnika prima signale sa svih satelita konstantno. Signali se prvo filtriraju pasivnim filtrom propusnikom opsega, kojim se redukuju neželjeni signali. Iza njega sledi pojačavač. Radiofrekventni signal se zatim pomera u zonu niskih frekvencija i pojačava do potrebnog nivoa za kvalitetan rad AD konverzije.

(a)Digitalna obrada signalaSavremeni GPS prijemnici vrše AD konverziju na nivou međufrekventnog

signala. Potom sledi digitalna obrada signala. Digitalna obrada se sastoji iz više paralelno vezanih kanalskih korelatora, koji simultano prate signale i kod do maksimalnog broja kanala, odnosno korelatora. Savremeni GPS prijemnici imaju između 8 i 12 korelatora.

(b)Navigacioni ProcesorNavigacioni procesor je neophodan da vrši upravljanje radom celog

prijemnika, kao i da izvršava matematičke operacije neophodne za izračunavanje pozicije, brzine kretanja i tačnog vremena u prijemniku. On upravlja radom i sinhronizacijom kanalskih akvizicionih korelatora, prati signal i vrši kolekciju podataka. Neki GPS prijemnici imaju integrisane funkcije kanalske obrade kao i izračunavanja pozicije, brzine i tačnog vremena, kao i funkciju kolekcije podataka. Najveći broj procesora vrši izračunavanje pozicije i brzine na osnovu merenja sa frekvencijom od 1Hz.

_____________________________________________________________________10


(c)Ulazno-Izlazna jedninica

Tim funkcijama navigacionog procesora treba dodati i funkciju interfejsa, kao i navigacione funkcije neophodne korisniku prijemnika. Kod prijemnika koji se koriste kao integrisane jedinice, potrebno je imati displej i tastaturu, za prikaz i upis podataka i komandi koje se izdaju prijemniku. Od navigacionih poruka, treba reći da ima funkcija generisanja ruta kojima korisnik putuje, kao i niz drugih funkcija koje su namenjene ljudima koji se nalaze na putu. Za ugradnju u složenije sisteme na raspolaganju stoji serijski RS232 ili neki drugi serijski interfejs, kojim se uz pomoć inteligentnih spoljnih jedinica, Personalnih računara na primer, može komandovati i primati podaci iz GPS prijemnika. Pored ovih signala na raspolaganju stoji i pps signal koji se generiše pri svakom prelasku iz sekunde u sekundu i služi za precizne vremenske sinhronizacije u sistemima.

5.2 Navigacioni signali

5.2.1 Osnovni navigacioni signali

Osnovni signali

Osnovni signal koji svaki GPS satelit emituje se dobija modulacijom signala nosioca L1 i kombinacije dva digitalna signala.

Digitalni signal niže frekvencije sadrži navigacionu poruku koja se iznova emituje na svakih 12.5 minuta. Navigaciona poruka je složene strukture i sastoji se od „almanaha“ koji sadrži neobrađene podatke o vremenu atomskog časovnika, zajedno sa informacijom o statusu satelita. Drugi tip podataka u sastavu navigacione poruke je „efemeris“ koji sadrži podatke o orbiti satelita koje omogućavaju prijemniku da izračuna poziciju satelita.

Digitalni signal više frekvencije sadrži pseudoslučajni kod i zove se C/A kod. To je sekvenca dugačka 1023 bita koja se ponavlja svake milisekunde. Svaki satelit ima svoju jedinstvenu sekvencu, javno objavljenu, po kojoj se može identifikovati na jednom kanalu prijemnika.

5.2.2 Detaljnije o navigacionim signalima

GPS sateliti takođe emituju i P-kod ili precizni kod koji je takođe pseudoslučajni kod, ali su njegova frekvencija i digitalna sekvenca koja se ponavlja drugačije nego kod C/A koda. Njegova sekvenca ponavljanja traje jednu nedelju.

_____________________________________________________________________11

http://sr.wikipedia.org/sr-el/%D0%A1%D0%BB%D0%B8%D0%BA%D0%B0:GPS_signal_modulation_scheme.svg


Ovaj signal se modulira sa signalom nosiocem L2, koristi se za vojne svrhe, ne objavljuje se javno i procesira se dodatno, tj šifrira se i dešifrira.

Frekvencije signala nosioca su:

o L1 (1575.42 MHz): nosioc za kombinaciju navigacione poruke, C/A koda i P-koda

o L2 (1227.60 MHz): nosioc za P-kod, plus novi L2C kod Blok IIR-M generacije i novijih satelita

o L3 (1381.05 MHz): nosioc korišćen za vojni program detekcije lansiranja projektila i nuklearnih detonacija.

o L4 (1379.913 MHz): nosioc koji se razmatra za dodatne jonosferske ispravke

o L5 (1176.45 MHz): nosioc predložen za dodatne primene, prva primena se prognozira na satelitima koji će biti lansirani 2008. godine

5.3 Proračun pozicije

Geografske koodinate prijemnika se proračunavaju bazirano na Svetskom geodetskom sistemu, WGS84. Za početak, GPS prijemnici sa satelita neprekidno primaju navigacionu poruku koja u sebi sadrži informaciju o njihovoj poziciji.

Prijemnik identifikuje signal sa svakog pojedinog satelita prema njegovoj jedinstvenoj digitalnoj sekvenci, pa meri razmak između vremena kada je signal emitovan i vremena kada je signal primljen. To se radi tako što prijemnik interno generiše signal sa istom digitalnom sekvencom kao što je imao signal sa satelita. Zatim polako menja vremensku fazu tog signala sve dok se interni signal i signal sa satelita ne podudare. U trenutku podudaranja, pomerena vremenska faza internog signala je jednaka vremenu potrebnom da signal putuje od satelita do prijemnika, na osnovu čega se može izračunati udaljenost prijemnika od satelita, s obzirom na poznatu brzinu kojom radio signal putuje. Ova udaljenost se naziva pseudoudaljenost. Pseudo je zbog toga što je u ovom računanju pretpostavljeno da je interni časovnik prijemnika tačan, ali on sadrži izvesnu nepreciznost.

GPS prijemnik u svakom trenutku može da izračuna pseudoudaljenost od četiri satelita. Možemo da zamislimo četiri sfere od kojih svaka ima centar u po

_____________________________________________________________________12

http://sr.wikipedia.org/sr-el/%D0%93%D0%B5%D0%BE%D0%B3%D1%80%D0%B0%D1%84%D1%81%D0%BA%D0%B5_%D0%BA%D0%BE%D0%BE%D1%80%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D1%82%D0%B5


jednom od tih satelita a poluprečnik joj je udaljenost od tog satelita do prijemnika. To su četiri sfere koje se sve seku u jednoj tački. Pošto signali sa svakog satelita putuju istom brzinom, u svakoj od pseudoudaljenosti je uračunata ista apsolutna greška. Kada bi sfere za poluprečnike imale pseudoudaljenosti umesto stvarnih udaljenosti, one se ne bi sekle u istoj tački, već bi sve bilo malo pomereno. Malom korekcijom pseudoudaljenosti za istu vrednost možemo podesiti da se sfere seku u istoj tački. Kada se izračuna kolika je apsolutna greška u izračunavanju pseudoudaljenosti, onda se zna i kolika je nepreciznost internog časovnika prijemnika i on se podešava da tačnije pokazuje vreme. Ovo podešavanje se stalno dešava u vremenu.

Proračun pozicije na osnovu P-koda je konceptualno sličan, pod pretpostvkom da se signal može dekodirati. Šifrovanje ovog signala je zaštitni mehanizam. Ako se signal može uspešno dešifrovati, onda se može pretpostaviti da je zaista poslat sa GPS satelita. U poređenju sa P-kodom koji se koristi u vojne svrhe, C/A kod je veoma osetljiv na ometanja. Pošto su digitalne sekvence GPS sinala javno poznate, moguće je namerno ih emitovati generatorima signala.

5.4 Preciznost i faktori koji unose grešku

Za izračunavanje pozicije prijemnika koristi se tačna pozicija satelita i tačno vreme između emitovanja i prijema signala. Pošto se to vreme ustanovljava poređenjem signala sa satelita i internog signala, i u cilju poređenja se identifikuju podižuće i spuštajuće ivice digitalnog signala, sadašnja elektronika u to unosi nepreciznost od oko 10 nanosekundi u C/A kod, što odgovara grešci od 3m u merenju udaljenosti. Kada bi pozicja satelita i vreme časovnika bilo apsolutno tačno, 3m bi još uvek bila najmanja greška na koju treba računati. Pošto je digitalni signal P-koda brži, greška koja se na ovaj način unosi je manja i iznosi samo 30 cm.

Ostali izvori nepreciznosti su atmosferski efekti koji utiču na brzinu prostiranja radio-signala, višestruke putanje signala, nepreciznost satelitskih časovnika, nepreciznost podataka o poziciji satelita i numeričke greške pri izračunavanju. Kada se svi ovi faktori zajedno uzmu u obzir, ukupna greška određivanja pozicije je oko 15 m.

Sumarni uticaj svih grešaka

5.4.1 Atmosferski efekti

Atmosfera ima uticaja na prostiranje radio talasa, posebno jonosfera i troposfera. Vlažnost u troposferi utiče na prostiranje radio talasa, nezavisno od

_____________________________________________________________________13


njihove frekvencije, što može da unese grešku do 0.5m. Promene u vlažnosti su brze i ova greška je mala, ali teška za korekciju.

Uticaj jonosfere na prostiranje talasa je veći i unosi grešku do 5 m. Jonosfera utiče na propagaciju radio talasa u zavisnosti od frekvencije zračenja i dužine puta koju talasi prolaze kroz nju. Zato se u militarnoj upotrebi P-kod modulira na L1 i L2 frekvenciji. Obradom signala se ustanovi razlika u kašnjenju signala modulisanog sa L1 i signala modulisanog sa L2 i na osnovu toga izračuna uticaj jonosfere. Novi sateliti, Blok IIR-M generacije zato imaju L2C kod modulisan na frekvenciju L2, da bi se isti metod detekcije jonosferskog efekta i njegove korekcije mogao upotrebiti i na civilnim prijemnicima.

Drugi način detekcije i korekcije ove greške se sastoji u prijemu GPS signala na poznatim pozicijama na Zemlji. Poređenjem pozicije dobijene obradom GPS signala i stvarne pozicije se otkriva koliku grešku unosi jonosfera i proračunavaju podaci o trenutnim karakteristikama jonosfere na toj lokaciji. Na lokacijama bliskim tom stacionarnom prijemniku je greška koju unosi jonosfera slična i prijemnici u okolini mogu da naprave korekciju ako su im ti podaci poznati.

Put GPS signala kroz jonosferu i troposferu

5.4.2 Višestruke putanje signala

Reflektovanje GPS signala o razne prepreke dovodi do toga da prijemnik prima direktni signal sa satelita, kao i signale koji su reflektovani sa raznih površina, planina, zgrada i sl. Ovaj problem je izraženiji kod fiksnih prijemnika nego kod pokretnih jer se kod pokretnih prijemnika lako razlikuje stabilni direktni signal od promenjivih reflektovanih signala. Maksimalna greška izazvana ovim putem je oko 1 m.

Refleksija signala od raznih objekata

5.4.3 Nepreciznost satelitskih časovnika

Atomski časovnici na GPS satelitima su veoma precizni, ali mogu imati mali pomak, što u obradi podataka može dovesti do greške i do 2 m. Teorija relativiteta

_____________________________________________________________________14

http://sr.wikipedia.org/sr-el/%D0%88%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B0


ukazuje na efekte koji dovode do promene u brzini rada časovnika, kao i promene u tome kako se ta brzina detektuje na Zemlji. Stanice za praćenje i kontrolisanje satelita podešavaju i sinhronizuju ove časovnike.

Greška u određivanju preseka zbog kašnjenja časovnika

5.4.4 Nepreciznost podataka o poziciji satelita

Navigaciona poruka sa satelita se emituje samo jednom u 12.5 minuta, a podaci o poziciji nisu ni toliko precizni jer satelit vremenom može malo da odstupi od projektovane putanje. Ovo su sporo promenjivi efekti i na ovaj način se unosi greška do 2.5 m. Stanice za praćenje i kontrolisanje satelita ažuriraju podatke o putanjama i poziciji satelita.

5.4.5 Uticaj geometrije satelita

Uticaj geometrije satelita ogleda se u loše određenoj presečnoj tački. Korišćenje suviše bliskih satelita rezultira sa lošijim rezultatima merenja. Ovaj uticaj se naziva geometrijsko rasipanje preciznosti ili skraćeno GDOP (Geometric Dilution of Precision).

Uticaj loše geometrije na tačnost presečne tačke

5.4.6 Numeričke greške

Numeričke greške zavise od algoritama kojima se obrađuju signali, kao i od snage procesora na prijemniku i unose grešku do maksimalno 1 m.

5.4.7 Ostali izvori grešaka

Selective Availability - SA je namerno kvarenje GPS signala. Kao rezultat uticaja SA, sa jednim autonomnim prijemnikom ne može se postići veća tačnost pozicioniranja od 100 metara. SA je program američkog ministarstva odbrane (DoD) koji je uveden kako bi se otežalo korišćenje ove tehnologije u armijama potencijalnih protivnika SAD. Uticaj SA se uspešno može otkloniti tehnikom diferenciranja,

_____________________________________________________________________15

http://sr.wikipedia.org/sr-el/Globalni_pozicioni_sistem#Kontrolna_komponenta%23Kontrolna_komponenta




odnosno istovremenim korišćenjem dva GPS prijemnika. Vojni prijemnici imaju mogućnost dekodiranja signala i automatskog uklanjanja uticaja ove greške. Ta vrsta prijemnika u upotrebi je u NATO snagama.

Ovaj tip greške više nije prisutan, jer je američka vlada ukinula SA degradaciju 01.05.2000. godine. Greška pozicijie bez uticaja SA nije veća od 20m, a u većini slučajeva iznosi oko 10m.

GPS takođe ima opciju da na izvesnoj teritoriji lokalno ukine mogućnost korišćenja GPS signala, a da to ne utiče na ostatak sveta, kao ni na vojnu primenu.

GPS prijemnici mogu biti pod uticajem drugog radio-zračenja i kako je GPS signal slab, oni postaju neupotrebljivi. Izvori ometajućeg radio-zračenja su prirodni, kao zračenje sa Sunca i geomagnetne oluje, ili veštački, kao što su snažne TV i druge antene u blizini ili pak namerno napravljeni generatori GPS signala.

5.5 Tehnike za poboljšanje preciznosti

5.5.1 Augmentacija

Augmentacija su metode za poboljšanje preciznosti koje se oslanjaju na informacije dobijene od drugih izvora, osim GPS satelita, a koje se takođe koriste u proračunu pozicije. Postoji više takvih sistema i uglavnom se razlikuju prema tome kako GPS senzor prima ove informacije. Neki sistemi emituju informacije o faktorima koji unose grešku, npr. grešku časovnika, grešku pozicije satelita, grešku koju unosi jonosfera. Drugi sistemi pružaju informaciju o tome kolika je bila greška u prošlosti, a treći pružaju dodatne navigacione informacije koje se mogu koristiti u proračunu pozicije.

5.5.1.1 Diferencijalni GPS

Diferencijalni GPS je postupak merenja sa dva GPS prijemnika, a sve u cilju otklanjanja uticaja ranije pomenutih grešaka.

_____________________________________________________________________16


Primer diferencijalnog GPS-a

Za diferencijali GPS-a se koriste prijemnici na fiksnim stanicama čije su koordinate poznate. Stalno se proračunava pozicja ovih prijemnika na osnovu GPS signala i poredi se sa stvarnom, poznatom, pozicijom. Usled raznih faktora koji unose grešku, stvarna i proračunata pozicija nisu jednake. Tako je poznata greška u proračunu pozicije na lokaciji fiksne stanice, a pretpostavlja se da će se na obližnjim lokacijama pojavljivati ista vrsta i vrednost greške. GPS prijemnici u blizini ovih fiksnih stanica dodatno primaju ovu informaciju i koriste je za korekciju greške svoje pozicije.

Iste greške na velikom rastojanju

Kako je na bazi poznat položaj, upoređivanjem merenih vrednosti sa unapred poznatim, može se izračunati uticaj grešaka merenja. Na ovaj način se određuju popravke merenja.

Postoji brojni diferencijalni GPS sistemi, različite primene i preciznosti koji garantuju. Neki od tih sistema su EGNOS, evropski DGPS za navigaciju na moru, nacionalni US DGPS i kanadski DGPS.

(a) Diferencijalna merenja u realnom vremenu (real-time)

_____________________________________________________________________17


Bazni prijemnik zatim šalje ove informacije ka pokretnim prijemnicima, koji sa njima koriguju merene vrednosti.

Prenos informacija sa baze radio putem

Kada se informacije prenose radio putem, tada još na terenu mogu da se dobiju korektni rezultati.

(b) Naknadna obrada diferencijalih merenja (post-processing)

U velikom broju slučajeva nisu nam potrebna popravljena merenja na terenu. U tom slučaju nije nam potreban radio već oba prijemnika rade autonomno. Bazni prijemnik je stacionaran i kontinuirano registruje podatke, dok se pokretni prijemnik kreće od tačke do tačke i vrši merenja. Kasnije u birou, podaci iz oba prijemnika se kombinuju i naknadno određuje popravka merenih vrednosti.

5.5.1.2 Oblasni sistemi augmentacije u vazduhoplovstvu

Oblasni sistemi augmentacije u vazduhoplovstvu su WAAS (eng. Wide Area Augmentation System), odnosno augmentacioni sistem široke oblasti i LAAS (eng. Local Area Augmentation System), odnosno lokalni augmentacioni sistem. Oba sistema u svoj rad uključuju i metode diferencijalnog GPS-a, a pošto se primenjuju u vazduhoplovstvu zadovoljavaju dodatne kriterijume koji se odnose na bezbednost.

WAAS arhitektura

WAAS je sistem koji je razvijen za potrebe i po specifikacijama FAA (eng. Federal Aviation Authority) SAD. On se sastoji od mreže referentnih (fiksnih) stanica, kontrolnih stanica koje obrađuje podatke, geostacionarnih satelita, zemaljskih stanica za komunikaciju sa geostacionarnim satelitima i komunikacione mreže na zemlji koja povezuje sve stanice. Podaci sa svih referentnih stanica se šalju u

_____________________________________________________________________18

http://sr.wikipedia.org/sr-el/%D0%95%D0%BD%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8_%D1%98%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D0%BA




kontrolne stanice, koje ih analiziraju i procenjuju uticaj jonosfere na propagaciju GPS signala, greške u procenjenoj poziciji GPS satelita i grešku časovnika. Preko zemaljskih stanica za komunikaciju se podaci šalju geostacionarnim satelitima, koji zatim emituju signal sa podacima o grešci koju svaki vazduhoplov u širokoj oblasti može da primi i iskoristi za korekciju greške pri proračunu pozicije. WAAS pokriva Severnu Ameriku i tipično postiže preciznost manju od 3 metra. Ova preciznost je potrebna za navigaciju vazduhoplova kada lete instrumentalno (suprotno od vizulano, za šta su potrebni idealni uslovi vidljivosti) Osim preciznosti, ovaj sistem zadovoljava stroge zahteve za raspoloživost sistema, kao i zahtev za integritet, tj da se konstantno vrši nadzor rada sistema i čim se detektuje da neka komponenta sistema ne radi zadovoljavajuće, da se korisnici odmah o tome obaveste. Pošto se signal o korekciji šalje preko satelita, WAAS je primer augmentacionog sistema baziranog na satelitima (eng. SBAS, Satellite Based Augmentation System ).

LAAS arhitektura

LAAS je augmentacioni sistem koji pokrivaju oblast oko aerodroma i namena im je da vazduhoplovima u prilazu obezbede precizni proračun pozicije. LAAS se sastoji od fiksnih stanica koje obezbeđuju diferencijalni GPS, kontrolne stanice koja sve signale obrađuje i procenjuje grešku, antene koja emituje signal o grešci za sav okolni saobrćaj i specijalne opreme u vazduhoplovu. U vazduhoplovu postoje GPS prijemnik koji prima GPS signale, prijemnik za prijem LAAS korekcije greške, komponenta za procesiranje signala i displej koji simulira displej za ILS (eng. Instrument Landing System). LAAS takođe mora da zadovolji stroge kriterijume raspoloživosti i integriteta. Pošto se signal o korekciji šalje preko antene na zemlji, WAAS je primer augmentacionog sistema baziranog na satelitima (eng. SBAS, Satellite Based Augmentation System ) U ovom trenutku ima više LAAS impelemntacija od kojih su mnoge u fazi razvoja i testiranja.

_____________________________________________________________________19





5.5.2 Precizno praćenje signala

Kroz dodatno snimanje i obradu postojećeg GPS signala se neke greške mogu umanjiti. Na primer, praćenje signala nosilaca modulacije L1 i L2 koji imaju različite frekvencije može da ukaže na uticaj jonosfere i drugih faktora okruženja koji se onda mogu korigovati u proračunu pozicije. Drugi primer je korišćenje signala nosioca modulacije u poređenju signala sa satelita i internog signala C/A koda, što može da smanji grešku koju unosi elektronika prijemnika na 3 cm. Da bi ove tehnike imale efekta, potrebno je da se takođe koriguju faktori koji unose veće nepreciznosti. Obično se koriste kombinovane tehnike u preciznim prijemnicima koji se koriste pri geodezijskim merenjima.

U razmatranju tehnika korekcije greške, treba imati u vidu u kojoj oblasti se GPS koristi. U geodezijskim merenjima vreme nije prioritet i podaci se mogu beležiti tokom vremena, statistički obrađivati ili ponavljati merenja ako se sumnja da nisu precizna. Tako se postiže preciznost od nekoliko santimetara.U primenama kao što je avijacija nema vremena za ove analize i zahtevi za detekciju i korekciju greške su potpuno drugačiji.

5.6 Tačnost GPS pozicioniranja

1) Pozicioniranje samostalnim prijemnikom 2) Prijemnici sa P(Y) kodom 3) GIS prijemnici 4) Geodetski prijemnici

Tačnost GPS prijemnika određena je kvalitetom samog uređaja, kao i primenjenim tehnikama merenja.

5.6.1 Pozicioniranje samostalnim prijemnikom

Koristeći samo jedan prijemnik, bez obzira na njegov kvalitet i deklarisane tehničke karakteristike, nije moguće postići bolje položajnu tačnost od 50 metara u 66% slučajeva ili 100 metara u 99% slučajeva.

Sa jednim prijemnikom naša tačka se nalazi u krugu od 50m

Tipičan primer prijemnika koji se koristi samostalno je ScoutMaster. Ova klasa je namenjena orijentaciji u prostoru, navigaciji po nepoznatom terenu i registraciji položaja sa malom tačnošću.

_____________________________________________________________________20

http://sr.wikipedia.org/sr-el/%D0%93%D0%B5%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D1%98%D0%B0


5.6.2 Prijemnici sa P(Y) kodom

Prijemnici koji se koriste u armijama SAD i NATO u autonomnom radu postužu položajnu tačnost i do 10 metara. Ovi prijemnici se ne mogu kupiti bez odobrenja američkog ministarstva odbrane.

Tačnost pozicioniranja sa P(Y) kodom

5.6.3 GIS prijemnici

Posebna kategorija prijemnika namenjena registraciji podataka za GIS ima rang tačnosti od 5 metara pa do nekoliko decimetara. Ova tačnost je sasvim dovoljna za aplikacije gde je osim položajnih podataka potrebno prikupiti i niz drugih informacija o objektima na terenu.

GIS prijemnici niže tačnosti - DGPS

Prijemnici niže tačnosti (5m - 1m) koriste se u strukama koje može da zadovolji tačnost od nekoliko metara, kao što su šumarstvo, geologija, biologija, itd. Tipičan primer ove klase prijemnika je GeoExplorer III.

GIS prijemnici više tačnosti - DGPS

GIS prijemnici više tačnosti određuju položaj sa tačnošu od 75cm do 1dm. Koriste se za registraciju podataka koji zahtevaju višu položajnu tačnost. Primer primene su registracije pratećih objekata i atributa kod raznih instalacija (elektro /vodovod/ gasovod). Tipičan primer ove klase je Pathfinder ProXR sa ASPEN ili Asset Surveyor softverom.

_____________________________________________________________________21


5.6.4 Geodetski prijemnici

Geodetski prijemnici se koriste za merenja najviše preciznosti. Zavisno od tehnike merenja postiže se tačnost od 1cm pa do nekoliko milimetara.

Geodetski prijemnici - fazna merenja u realnom vremenu

U realnom vremenu obično se postiže tačnost oko 1 cm. Međutim naknadnom obradom i tehnikama statičkih merenja tačnost se može podići na samo par milimetara.

Geodetski prijemnici - fazna merenja u statičkom modu

Primer visoko kvalitetnog prijemnika za merenja u realnom vremenu je 4700. Veoma popularan prijemnik visoke tačnosti je i 4600LS Surveyor.

Osim visoko preciznih geodetskih merenja ovi prijemnici se koriste i za seizmička osmatranja, merenja u rudarstvu i građevinarstvu, kao i brojnim drugim strukama koje zahtevaju precizna merenja.

5.6.5 Šta vam je potrebno?

Izbor GPS prijemnika u prvom redu je određen vašim potrebama u pogledu tačnosti, a zatim i drugim opcijama (mogućnost registracije podataka, veličina memorije, prateći softver, dimenzije, podrška).

Koja tačnost vam je potrebna ?

Prikazani nivoi tačnosti određuju i klase cena. U klasu najniže tačnosti ulazite sa prijemnicima od nekoliko stotina dolara. Metarska tačnost vas košta nekoliko hiljada dolara, dok za santimetarsku i višu tačnost morate da odvojite od jedne do više desetina hiljada dolara. Izbor je vaš.

_____________________________________________________________________22


6 Primena

Razvoj globalnog satelitskog sistema za određivanje pozicije – GPS, prihvaćen je ne samo u navigaciji već i u raznim GEO-naukama. Mogućnost izračunavanja koordinata 24 sata dnevno bez obzira na meteorološke prilike i nepotrebnost dogledanja među tačkama, vrlo brzo su GPS prijemnike učinile korisnim i opšteprihvaćenim terenskim instrumentom.

Upotreba GPS prijemnika sve je češća, a iznenađuje raznolikost zadataka u kojima ovaj sistem daje pouzdane rezultate. Danas GPS prijemnike osim za vojne potrebe, što je bio osnoovni povod izrade sistema, koriste geodeti, šumari, geolozi, geofizičari, geografi, hidrografi, agronomi, ukratko sve struke kojima je neophodan terenski rad.

Građevinarstvo

Vođenje mašina

Kartiranje Deformaciona opažanja objekata

Osim stručne i profesionalne upotrebe u raznim naukama GPS je našao široku primenu i u svakidašnjem civilnom životu – razni oblici transporta (zemljom, vodom i vazduhom), sport (nautika, padobranstvo, planinarenje, …), pa sve do ugrađivanja GPS-a kao sistema za navigaciju u automobile.

_____________________________________________________________________23


Primer displeja GPS aplikacije za drumski saobraćaj

Sve brže širenje upotrebe GPS-a prati i stalni razvoj prijemnika. Oni postaju sve manji, brži, pouzdaniji i jeftiniji, potencirajući time svoje korišćenje. Današnji ručni GPS prijemnici veličine mobilnog telefona poseduju mogućnost simultanog praćenja do 12 satelita, omogućavajući time rad i u područjima slabijeg prijema signala, npr. u šumi, uskim kanjonima ili ulicama. Takvi uređaji prvu poziciju izračunavaju za svega 1-2 minuta, a zatim svake sekunde daju novo izračunate koordinate. Osim pozicije GPS prijemnik računa i brzinu (maksimalna, trenutna i srednja brzina), i smer kretanja. Skoro svi ručni uređaji omogućuju memorisanje od 500 i više tačaka s geografskom koordinatom, vremenom memorisanja podatka i komentarom (kuća, most, potok, i dr.) i 20-tak ruta od 30 tačaka. Memorisane tačke se mogu kablom prebaciti u računar za kasniju obradu.

Prikaz programa za praćenje vozila putem GPS sistema

Noviji ručni GPS uređaji imaju ugrađen i mapu određenog područja (eMAP, GPS III Plus, Street Pilot, eTrex Legend, eTrex Vista itd.). Ovi prikazi mogu varirati od jednostavne skice okoline, koja služi kao pomoć u orjentaciji, do vrlo detaljnog prikaza ulica u gradovima ili obale sa simbolima svetionika, kablova, marina, sidrišta i sl. Sve češće se u takvim prijemnicima nalaze i baze podataka gradova, mesta, ulica, muzeja, bolnica, restorana, itd. sortirane po određenoj tematici.

_____________________________________________________________________24

http://sr.wikipedia.org/sr-el/%D0%A1%D0%BB%D0%B8%D0%BA%D0%B0:TomTom_Screenshot.jpg


Služiti se takvim uređajem jednostavno je i gotovo automatizovano. Nakon uključivanja i prijema signala s četiri neophodna satelita uređaj računa prvu poziciju (FIX) nakon čega se možemo kretati po zamišljenoj ili planiranoj ruti.

Prikaz rute kretanja vozila koje se obezbeđuje

Uporeba GPS-a ne završava samo određivanjem tačke. Zavisno od uređaja, tražena tačka može se odrediti i pronaći sutra ili za 10 godina s pouzdanošću od 10 m. Potrebno je samo upisati tražene koordinate i pokrenuti funkciju navođenja. Tog trenutka GPS prijemnik nas strelicom usmerava prema traženoj tački istovremeno računajući preostalu udaljenost, brzinu kretanja itd.

Budućnost GPS-a je zaista zadivljujuća. Ipak, razvoj događaja u sledećih deset godina teško je predvideti, međutim, sigurno je da GPS prijemnici ulaze u naš svakodnevni život poput telefona, radio prijemnika ili televizora.

7 Ostali sistemi za satelitsko pozicioniranje

Kao konkurenciju GPS ima ruski satelitski navigacioni sistem GLONASS i satelitski sistem Evropske svemirske agencije (ESA) pod nazivom Galileo. I drugi satelitski sistemi su u razmatranju i razvoju. Svaki satelitski sistem za navigaciju zahteva velika finansijska sredstva u koja spada i razvoj prijemnika i opreme koja će se na njemu zasnivati. Takođe povlači političke i vojne implikacije.

_____________________________________________________________________25

http://sr.wikipedia.org/sr-el/Galileo_satelitski_sistem

http://sr.wikipedia.org/sr-el/%D0%95%D0%A1%D0%90

http://sr.wikipedia.org/sr-el/GLONASS


8 Literatura

Elliot D. Kaplan, Understanding GPS, Principles and Applications, Artech House, Boston, 1996

Nenad Nemec, “Satelitske komunikacije”, Beograd, 2000

GPS links:o http://www.gpsy.com/gpsinfo/ o http://www.garmin.como http://www.gps.gov o http://www.wikipedia.org

_____________________________________________________________________26

http://www.wikipedia.org/

http://www.gps.gov/

http://www.garmin.com/

http://www.gpsy.com/gpsinfo/

gps sistem

Documents