prezentacija 9. gps sistem

8/19/2019 Prezentacija 9. GPS SISTEM

1/38

Dr Hasanovic: Mobilne Komunikacije

Predavanje 9

GLOBALNI

POZICIONISISTEM

(GPS)


2/38


•

Uvodne informacije o GPS-u• Opis tri bazna segmenta GPS navigacionog sistema

• Opis procesa određivanja lokacije na bazi GPS signala

• Izvori i tipovi greški tokom navigacije

• GPS aplikacije


3/38


Globalni Sistem za Pozicioniranje (GPS)

•

Globalni Sistem za Pozicioniranje (GPS), je također poznat kaoNavstar

• Navigacioni sistem baziran na satelitskim komunikacijama koji je naraspolaganju svakom korisniku koji posjeduje odgovarajući prijemnik

• Omogućava precizno određivanje lokacije korisnika u funkcijigeografske širine, geografske dužine, te nadmorske visine

OSNOVNE INFORMACIJE

GPS (SAD)

GLONASS (Rusija)

GALI LEO (EU)

http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=btCZiqXv49GwZM&tbnid=5WT7syiQUvVlsM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.gps.gov/multimedia/images/&ei=0_KLUtL_Leza4AOEhIGoCQ&psig=AFQjCNEbun52CXXgFNKhrXexFFBtNnt80w&ust=1384989735630919http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=btCZiqXv49GwZM&tbnid=5WT7syiQUvVlsM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.gps.gov/multimedia/images/&ei=0_KLUtL_Leza4AOEhIGoCQ&psig=AFQjCNEbun52CXXgFNKhrXexFFBtNnt80w&ust=1384989735630919


4/38


• Uvijek prisutno pitanje:

gdje se nalazim?• Pozicione koordinate na

Zemljinoj površini:geografska dužina i

geografska širina • Geografsku širinu je

moguće odrediti u odnosuna poziciju Sunca

PROBLEM NAVIGACIJE


5/38


GEOGRAFSKA ŠIRINA I DUŽINA

Sarajevo: N 43.8o / E18.4o


6/38


EKVATOR I PRIMARNI MERIDIJAN

Primarni Meridijan

0o geografske dužine

Ekvator

0o geografske širine


7/38Dr Hasanovic: Mobilne Komunikacije

Globalni Sistem za Pozicioniranje (GPS)• GPS je razvijen od strane američkog vazduhoplovstva, a za potrebe američkog

ministarstva odbrane, sa ciljem pružanja kontinuiranog servisa navigacije svimsnagama američke vojske

• GPS sistem se sastoji iz tri segmenta – satelitski segment, kontrolni segment ikorisnicki segment.

OSNOVNE INFORMACIJE



Satelitski Segment• Satelitski segment se sastoji iz konstelacije

satelita koji orbitiraju oko Zemlje i nose

predajnike koji šalju izuzetno preciznuinformaciju ka GPS prijemnicima na

zemljinoj površini.

• GPS sadrži 24 operativna satelita te 3rezervna satelita

• Sateliti su raspoređeni u šest orbita, sa po 3do 4 satelita na svakoj orbiti.

• Visina orbitiranja: 20,200 Km sa periodomod 12 sati

• Operativni sateliti - cijena: Block IIR-

$25,000,000

•Operativni sateliti – masa: 2000 kg

GPS – OSNOVNI SEGMENTI

http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=C8VW6uTXDWO1mM&tbnid=mWMW-ht9mHENlM:&ved=0CAUQjRw&url=http://theexceptioncatcher.com/p/GizGPSBth&ei=SvOLUrmfCPL54AO09oHADA&psig=AFQjCNEbun52CXXgFNKhrXexFFBtNnt80w&ust=1384989735630919http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=C8VW6uTXDWO1mM&tbnid=mWMW-ht9mHENlM:&ved=0CAUQjRw&url=http://theexceptioncatcher.com/p/GizGPSBth&ei=SvOLUrmfCPL54AO09oHADA&psig=AFQjCNEbun52CXXgFNKhrXexFFBtNnt80w&ust=1384989735630919



Atomski satovi na GPS

Satelitima• Svaki satelit također sadrži četiri

visoko precizna atomska sata

• Ovi satovi se koriste za

generiranje jedinstvenog

pseudoslučajnog koda koji sekoristi za identifikaciju satelita

od strane zemaljskih stanica i od

korisnika.

• Sateliti emituju skup digitalno

zakodiranih efemeris podataka

koji u potpunosti definišu orbitu

satelita.


Greška od 1 sekunde

svakih 2,739,000 milionagodina



RASPORED GPS SATELITA



GPS: Kontrolni Segment

• Kontrolni segment GPS sistema se odnosi na razne zemaljske stanice kojevrše monitoring satelita i obezbjeđ juju kontrolu istih

• Glavna kontrolna stanica je locirana u Colorado Springs, američka država Colorado.

• Pored glavne kontrolne stanice u Coloradu, koriste se još četiri monitoringstanice (slika dole)


http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=lsJ0gJ83LoFS9M&tbnid=C8begLCxrDnIzM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.azosensors.com/Article.aspx?ArticleID=29&ei=TPSLUpKGLPPi4AP7mIFo&psig=AFQjCNG_qfrlNZ_ifUE2_5fW1Pi48dVefg&ust=1384990123898154http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=gRz-3hsdrXzIoM&tbnid=I0WTuHB1sJ5xFM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.kenaninstitute.unc.edu/nccle/GPS/mod1_groundCentralNetwork.htm&ei=gvSLUpLJIOHB4AOaxoD4DA&psig=AFQjCNG_qfrlNZ_ifUE2_5fW1Pi48dVefg&ust=1384990123898154http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=lsJ0gJ83LoFS9M&tbnid=C8begLCxrDnIzM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.azosensors.com/Article.aspx?ArticleID=29&ei=TPSLUpKGLPPi4AP7mIFo&psig=AFQjCNG_qfrlNZ_ifUE2_5fW1Pi48dVefg&ust=1384990123898154


12/38Dr Hasanovic: Mobilne Komunikaci je

GPS: Kontrolni Segment

• Četiri upravljačke stanice neprekidno šalju prikupljene podatke ka glavnojkontrolnoj stanici u Coloradu

• Svi podaci se prikupljaju, pohranjuju i analiziraju u glavnoj kontrolnoj stanici

• Na bazi ovih podataka se vrši ažuriranje orbita na kojima se sateliti kreću

• Informacije se šalju ka satelitima na uplinkovima, i to jedanput dnevno namikrotalasnom S frekventnom opsegu.


http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=lsJ0gJ83LoFS9M&tbnid=C8begLCxrDnIzM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.azosensors.com/Article.aspx?ArticleID=29&ei=TPSLUpKGLPPi4AP7mIFo&psig=AFQjCNG_qfrlNZ_ifUE2_5fW1Pi48dVefg&ust=1384990123898154http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=gRz-3hsdrXzIoM&tbnid=I0WTuHB1sJ5xFM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.kenaninstitute.unc.edu/nccle/GPS/mod1_groundCentralNetwork.htm&ei=gvSLUpLJIOHB4AOaxoD4DA&psig=AFQjCNG_qfrlNZ_ifUE2_5fW1Pi48dVefg&ust=1384990123898154http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=lsJ0gJ83LoFS9M&tbnid=C8begLCxrDnIzM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.azosensors.com/Article.aspx?ArticleID=29&ei=TPSLUpKGLPPi4AP7mIFo&psig=AFQjCNG_qfrlNZ_ifUE2_5fW1Pi48dVefg&ust=1384990123898154



Kwajalein Atoll

US Space Command

Hawaii

Ascension Is.Diego Garcia

Cape Canaveral

Zemaljska AntenaGlavna Upravljačka Stanica Monitoring Stanica

KONTROLNI SEGMENT



GPS Prijemnici•

GPS prijemnik predstavlja kompleksnimikrotalasni prijemnik koji je tako

dizajniran da primi GPS signal, dekodira

isti, i da na bazi prikupljenih podataka

proračuna preciznu lokaciju na kojoj senalazi.

• Kao izlazna informacija, dobije se

geografska širina, geografska dužina inadmorska visina lokacije, i to na mapi sa

visokom rezolucijom prikazanoj na LCD

ekranu

• Najčešće korišteni GPS prijemnici su tipa popularnih portabilnih jedinica koje nisu

veće od standardnog kalkulatora.


http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=GPBs9n6yIvEpRM&tbnid=e2TDpNXfSDkkJM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.mohrresults.com/mohr-results-weight-loss-2/the-human-fat-loss-gps/&ei=kvOLUpsS78XgA-LMgOAG&psig=AFQjCNEbun52CXXgFNKhrXexFFBtNnt80w&ust=1384989735630919http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=GPBs9n6yIvEpRM&tbnid=e2TDpNXfSDkkJM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.mohrresults.com/mohr-results-weight-loss-2/the-human-fat-loss-gps/&ei=kvOLUpsS78XgA-LMgOAG&psig=AFQjCNEbun52CXXgFNKhrXexFFBtNnt80w&ust=1384989735630919



DRUGI TIPOVI GPS PRIJEMNIKA



• GPS prijemnik obavlja proces vremenskog multipleksiranja signala

sa četiri satelita koji su o domenu optičke vidljivosti prijemnika.

• Primljeni podaci se analiziraju i pohranjuju u memoriji prijemnika.

• Za određivanje precizne lokacije prijemnika je dovoljna informacijasa tri satelita

• Informacija sa četvrtog satleita se obično koristi za određivanjenadmorske visine prijemnika

GPS PRIJEMNICI

http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=J8a2PyK5Qe7zrM&tbnid=8H-WEhBAPDRLGM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.math.tamu.edu/~dallen/physics/gps/gps.htm&ei=APSLUrPsNJG84APeloCgAw&psig=AFQjCNEbun52CXXgFNKhrXexFFBtNnt80w&ust=1384989735630919



BLOK DIJAGRAM GPS PRIJEMNIKA



t1 + t

Udaljenost između satelita i prijemnika = “t brzinasvjetlosti”

t1

Signal napušta satelit uvremenskom trenutku “t1”

Signal je primljen na prijemniku u

vremenskom trenutku “t1 + t”

POZICIJA NA BAZI MJERENJA VREMENA




• Atomski satovi na satelitima su izuzetno precizni sto nije slučaj sasatom na GPS prijemniku

• GPS prijemnik koristi signal sa satelita, u vidu pseudoslučajnog koda (koji identificira odgovarajući satelit) za određivanje približne lokacije

•Eventualno, GPS prijemnik mora sinhronizovati svoj sat sa satomna satelitu kako bi bio u stanju precizno odrediti svoju lokaciju

• Greška u sinhronizaciji sata na predajniku i na prijemniku odnekoliko nanosekundi izaziva grešku u lokaciji od 300 metara.

S OS Č O ( )



PSEUDOSLUČAJNI KOD (PRN) • Svaki satelit šalje navigacionu poruku (NAV) koja sadrži informaciju o poziciji

satelita (takozvani satellite almanac), parametre GPS i UTC vremena (tzv. clock

bias), te parametre za korekciju greški usljed interferencija sa jonosferom

• NAV poruka se šalje na dvije frekvencije L1 i L2 (L1 = 1575.42 MHz, L2 =1227.60 MHz

• NAV poruka također sadrži pseudoslučajni (PRN) kôd koji služi za identifikacijusatelita (tehnika raširenog spektra)

• Nakon što prijemnik primi NAV poruku sa PRN kodom, izvršit će identifikacijusatelita i započeti proces sinhronizacije svog sata sa atomskim satom naidentificiranom satelitu

PREDAJNI SIGNAL (DSSS)


23/38


PREDAJNI SIGNAL (DSSS)

SPEKTAR GPS SIGNALA


24/38


SPEKTAR GPS SIGNALA

DEFINICIJA LOKALNOG VREMENA


25/38


Zulu Vrijeme

Vojno Vrijeme

(lokalno vrijeme prikazano na 24-satnom

casovniku)

Univerzalno Koordinisano Vrijeme (UTC)

Vrijeme na Greenwichu

Lokalno: AM and PM (prilagodjeno odgovarajucoj

vremenskoj zoni)

GPS Vrijeme - 13*

* GPS Time je trenutno 13 secondi ispred UTC.

DEFINICIJA LOKALNOG VREMENA

SINHRONIZACIONI SIGNAL SA SATELITA


26/38


•

Sateliti šalju dva signala koji se koriste zasinhronizaciju vremena na predajnoj i prijemnoj strani

• C/A kôd je na raspolaganju za civilne upotrebe

i omogućava određivanje lokacije sa preciznošću od 300 m

• P kôd se koristi za vojne upotrebe i omogućava lociranje sa greškom od 3 m




27/38



• Kako bi se izbjegle greške usljed atmosferskih uticaja, multipatha islično, GPS prijemnici koriste signal sa četiri satelita za određivanjelokacije

GENERATOR KODA NA GPS SATELITU


28/38


GENERATOR KODA NA GPS SATELITU

PRN KODNE SEKVENCE


29/38


• Svaki satelit u konstelaciji se

identificira putem odgovarajuće kodne sekvence

• Kodne sekvence su pohranjene u

svakom GPS prijemniku

PRN KODNE SEKVENCE

SIGNAL SA JEDNOG SATELITA


30/38


SIGNAL SA JEDNOG SATELITA

• Svakom signalu koji je poslan sa satelita je potreban kratki

vremenski period da stigne na GPS prijemnik

• Vremenska razlika između momenta kada je signal poslan imomenta kada je primljen multiplicirana brzinom svjetlosti daje

informaciju o udaljenosti izmedju satelita i GPS prijemnika.

Preciznu udaljenost je moguće odrediti pod određenimuvjetima:

1. dobra vremenskasinhronizacija između predajnika na satelitu i

prijemnika na Zemlji

2. minimum od četiri signalasa četiri različita satelita

3. dobra satelitska geometrija

SIGNAL SA DVA SATELITA


31/38


SIGNAL SA DVA SATELITA

• U idealnom slučaju sinhroniziranosti atomskog sata na satelitu sasatom na GPS prijemniku, dovoljno bi bilo primiti signale sa dva

satelita za određivanje pozicije prijemnika

• U idealnom slučaju dvije sfere koje su konstruirane na bazi proračuna udaljenosti od satelita bi trebale imati presjek uisključivo jednoj tački na kojoj je lociran prijemnik

TRI SATELITA (2D POZICIONIRANJE)


32/38


TRI SATELITA (2D POZICIONIRANJE)

• Korištenje tri satelita otklanja problem sinhronizacije ali dajeisključivo informaciju o 2D poziciji

• Stoga je potrebno imati i informaciju sa četvrtog satelita za precizno određivanje lokacije GPS prijemnika

MOGUĆI IZVORI GPS GREŠKI


33/38


Izvor greške Greška (u metrima)

• Atomski sat na satelitu: 1.5m to 3.6 m

• Orbitalne greške: < 1 m

• Uticaj jonosfere: 5.0 - 7.0 m

• Uticaj troposfere: 0.5 - 0.7 m

• Šum prijemnika: 0.3 - 1.5 m

• Multipath: 0.6 - 1.2 m

Gornje greške su kumulativnog karaktera

MOGUĆI IZVORI GPS GREŠKI

MOGUĆE INTERFERENCIJE NA SIGNALU


34/38


MOGUĆE INTERFERENCIJE NA SIGNALU

MULTIPATH

UZAJAMNA GEOMETRIJA SATELITA


35/38


UZAJAMNA GEOMETRIJA SATELITA

• Uzajamna geometrija satelita također utiče na kvalitet signala i preciznost određivanja lokacije

• Pod uzajamnom geometrijom satelita se podrazumijeva međusobna pozicija satelita kao i njihova relativna pozicija u odnosu na GPS

prijemnik

Good PDOP Poor PDOP

DIFERENCIJALNI GPS


36/38


DIFERENCIJALNI GPS


37/38

APLIKACIJE


38/38

GPS Aplikacije• Komercijalne aplikacije također uključuju geodeziju, kreiranje mapa,

građevinarstvo, rekreativne aktivnosti, daljinska kontrola vozila, itd.

• Policija, vatrogasci, te šumarske usluge također koriste GPS.

• Popularan je i novi hobi poznat pod nazivom geocaching. Tim dislocira

odgovarajući objekt negdje u svijetu i onda drugom timu daje zadatak da pronađe isti objekat , a na bazi date informacije o koordinatama lokacije na kojoj je objekat ostavljen.

APLIKACIJE
http://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=4e6nHHJqFxoigM&tbnid=GpFk3P6qjNENNM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.bcsfamilies.com/geocaching-in-bcs/&ei=ZvWLUvjSONPe4APj34DQAw&psig=AFQjCNE29mQ61EA1cG0GbkUKSsg3IkXb6w&ust=1384990398475090

prezentacija 9. gps sistem

Documents