Framtida satellitsystem och signaler - fördelar och utmaningar

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Framtida satellitsystem och signaler - fördelar och utmaningar"

Mats Eriksson
för 7 år sedan
Visningar:

1 Framtida satellitsystem och signaler - fördelar och utmaningar G P S Jan Johansson Rymd och geovetenskap med Onsala rymdobservatorium, Chalmers tekniska högskola & SP Sveriges tekniska forskningsinstitut jan.johansson@sp.se 1

2 GNSS-utvecklingen (något tillspetesad) dm-nivå med veckors fördröjning, m-nivå i realtid på 1980-talet cm-nivå med veckofördröjning, många cm i realtid på 1990-talet mm-nivå med veckofördröjning, cm-nivå samma dag, realtid några cm på 2000-talet mm-nivå i nära realtid, cm-nivå i realtid 2010-talet Sub-mm i efterberäkningar och mm-nivå i realtid???

3 Framtid Galileo Beidou/Compass GLONASS Moderniserad GPS

4 Hur fungerar GNSS? X 1, Y 1, Z 1, T 1 c(t 1 -T 1 ) = R 1 t 1

5 Flera satelliter behövs! X 2, Y 2, Z 2, T 2 X 1, Y 1, Z 1, T 1 c(t 1 -T 1 ) = R 1 R 2 = c(t 2 -T 2 ) Signalen går ungefär med ljusets hastighet dvs meter/sekund Avståndet till satelliten är meter eller mer För att kunna mäta avstånd med en noggrannhet av 3 meter krävs att tidmätningen i mottagaren kan göras med en noggrannhet av 10 nanosekunder

6 Med 4 satelliter fungerar det! Mottagaren erhåller: Latitud, Longitud, Höjd, och Tid

Overview, Satellite Navigation Systems Global Navigation Satellite Systems (GNSS) System Country Coding Orbital height & period Number of satellites Status United GPS CDMA 20 200km, 12.

7 Overview, Satellite Navigation Systems Global Navigation Satellite Systems (GNSS) System Country Coding Orbital height & period Number of satellites Status United GPS CDMA km, 12.0h 27 operational States GLONASS Russia FDMA km, 11.3h 24 operational, CDMA in preparation in preparation; 4 IOV sats lauched; Galileo Europe CDMA km, 14.1h 27 1st FOC launch 2013; Compass/ km, 12.6h in preparation China CDMA 35 Beidou (and 5 in GEO) Regional Satellite Navigation Systems System Country Frequency Orbital height & period Number of satellites Status QZSS Japan L1, L2, and L5 HEO 3 in preparation, in operation 2013 IRNSS India L5 and S-band GEO (3) + GSO (4): 24,000 km 7 Regional Satellite Based Augmentation Systems (SBAS): WAAS(US), EGNOS (EU), MSAS (Japan) and GAGAN (India).

8 v = 4 km/s Felkällor km 1000 km Satellitklockor Satellitbanor Jonosfär Troposfär Lokala effekter 50km 10 km Mycket svag signaler Olika störningar Men GPS (GNSS) sänder ut signaler på 2 (3) olika frekvenser!

9 International Terrestrial Reference Frame (ITRF) Satellitbanor och klockor beräknas baserat på markstationer

12 GNSS är extremt svaga ( brusliknande ) Satelliteffekt: P T = 27 W Antennförstärkning: G T ~ 10 dbi Utsänd effekt~ 250 W Avstånd ~ km Avstånd ~ km Mottagen effekt(minimum): P R = W = dbm = dbw

13 GNSS Signals (excl. Galileo) GPS Modernisation (USA) - Block II-RM: New L2C signal (7 in orbit) - Block II-F: New L5 signal (2 in orbit) - Block III: New L1C signal (similar to Galileo E1bc) Glonass (Russia) - CDMA signals planned in the L1 and L5 bands - New atomic clocks - New tracking network (IGS?) BeiDou (China) - CDMA signals planned in the L1, L5, and E5b bands

14 Future GNSS open signals E5a Band Frequency (MHz) Signal Type GPS L BPSK(10) data and pilot GALILEO E5a BPSK(10) data and pilot GLONASS L BPSK(10) data and pilot COMPASS B2a BPSK(10) data and pilot E5b Band GALILEO E5b BPSK(10) data and pilot COMPASS B2b BPSK(10) data and pilot L2 Band GPS L2C BPSK(1) data L1 Band GPS L1C/A BPSK(1) data GPS L1C BOC(1,1) data and pilot GALILEO L BOC(1,1) data and pilot GLONASS L BOC(1,1) data and pilot COMPASS B1-C BOC(1,1) data and pilot

15 BOC modulation signals Can co-exist with the GPS C/A-code signal Autocorrelation function has narrower main peak Improved code-tracking and multipath mitigation Frequency Spectrum Correlation Function GPS C/A BOC(1,1) GPS C/A Spectral density (db/hz) Autocorrelation BOC(1,1) Frequency (MHz) Delay (chips) 15

16 GNSS-utvecklingen (signal) Nya atomklockor => mer stabil signalgenerering => bättre signalbrusförhållande => ökad tillförlitlighet samt något förbättrad snabbhet + noggrannhet Nya signaler med ny kodning och större bandbredd => bättre signalbrusförhållande => ökad tillförlitlighet och snabbhet samt något förbättrad noggrannhet Fler signaler och fler satelliter => större redundans => möjlighet till fler signalkombinationer => minskad risk för felaktig hantering av periodobekanta

17 Differentiella (relativa) metoder för att eliminera gemensamma felkällor v = 4 km/s km 1000 km 50km 10 km Distance?? km

18 Nätverks RTK RTCM VRS NMEA

19 SWEPOS Stationerna 41 klass A stationer 238 klass B stationer 5 IGS- och 7 EPN-stationer

20 GPS och SWEPOS Det går inte att visa bilden för tillfället. Orbits & Clocks Ionosphere Troposphere

21 L1 - Processing Total 27 mm

22 Det går inte att visa bilden för tillfället. GNSS GPS, GLONASS, GALILEO, BEIDOU? Orbits and clocks Ionosphere Troposphere

23 GNSS-utvecklingen (infrastruktur) Fler permanenta markstationer och fler satelliter => förbättrad behandling av felkällor (t ex atmosfär) => ökad snabbhet och tillförlitlighet även i svåra miljöer Nya markstationer i t ex Galileo (samarbete med IGS) => förbättrad referenssystem => förbättrad noggrannhet och tillförlitlighet Eventuella problem vid fullständig integration av alla GNSS t ex referenssystem, periodobekanta och antennfascentrum

24 Galieo etc What are the effects?

25 PPP Precise Point Positioning Absolut positionering? För cm-nivå krävs kännedom om Satellitbanor Satellitklockor Troposfär Jonosfär Kan all nödvändig information fås från SWEPOS?

26 Precise Point Positioning (PPP) vs Network-RTK VS

Nytt CLOSE -Projekt 2014-2015 Jämförelser och simulering av VRS (NRTK), MAC, PPP Vad finns idag? Hur bra är metoderna?

27 Nytt CLOSE -Projekt Jämförelser och simulering av VRS (NRTK), MAC, PPP Vad finns idag? Hur bra är metoderna? Kan man i framtiden få alla metoder baserade på SWEPOS Förbättrade troposfär- och jonosfärmodeller Kalibreringsmetoder för hela stationen inkluderar t ex antenner, radomer och master Utveckling av nya SWEPOS-referensstationer inkluderar t ex master, antenner och radomer

28 Solcykeln

29 Calculating TEC: Some equations. The refractive index depends on frequency, number of electrons, and the electron charge and mass Refractivity Total Electron Content (TEC) in number of electrons/m 2 (1 TECU = electrons/m 2 ) Propagation path delay in the Ionosphere

30 Linear Combinations Notice that the closer the frequencies, the larger multiplying factors. For GPS frequencies,

31 Ionospheric free electron content Differences between night and day Annual differences

32 Electron density in the ionosphere utilizing SWEPOS

Relevanta dokument

Introduktion till GNSS

Introduktion till GNSS Christina Lilje SWEPOS-seminariet 16 oktober 2007 Gävle Satellitsystem GNSS - Global Navigation Satellite Systems Samlingsnamn för satellitsystem för navigering och positionsbestämning