GPS GPS. Classical navigation. A. Einstein. Global Positioning System Started in 1978 Operational in ETI Föreläsning 1

HTML
DOWNLOAD

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "GPS GPS. Classical navigation. A. Einstein. Global Positioning System Started in 1978 Operational in ETI Föreläsning 1"

Oskar Pettersson
för 8 år sedan
Visningar:

1 GPS GPS Global Positioning System Started in 1978 Operational in ETI Föreläsning ETI Föreläsning 2 A. Einstein Classical navigation ETI Föreläsning ETI Föreläsning 4

Vinkelfel Flatland 2011-02-22 ETI 125 - Föreläsning 5 2011-02-22 ETI 125 - Föreläsning 6

2 Vinkelfel Flatland ETI Föreläsning ETI Föreläsning 6 Time of arrival * * * * * * ETI Föreläsning ETI Föreläsning 8

Propagation at speed of light Uncertainty in position μs = mikrosekund = 0.

3 Propagation at speed of light Uncertainty in position μs = mikrosekund = s = 10-6 s c *1 μs = 300 m ns = nanosekund = s = 10-9 s c * 1ns = 0.3 m ETI Föreläsning 9 Atomic clock: +/- 1 ns / day Reference frequency: Hertz ETI Föreläsning ETI Föreläsning 12

Rubidium-klocka Different clock types in

alt. Three Rubidium 2011-02-22 ETI 125 -

Föreläsning 14 Satellites Satellite track

4 Rubidium-klocka Different clock types in satellites Two Cesium and two Rubidium alt. Three Rubidium ETI Föreläsning ETI Föreläsning 14 Satellites Satellite track 24 sattelites at km above earth Orbits with a period of 11 hours 58 minutes, in order to always follow the same track on the earth surface ETI Föreläsning ETI Föreläsning 16

The earth rotates once every 23 hours 56 minutes 4 min. / (24 h * 60) min. = 0.0027 + 4 minutes 0.

5 The earth rotates once every 23 hours 56 minutes 4 min. / (24 h * 60) min. = minutes *360 o ~ 1 o ETI Föreläsning ETI Föreläsning 18 Time at the surface of the earth Theory of relativity Time will be dependent on speed and gravitation Special theory of relativity: When in motion, time slows down. General theory of relativity: When under the influence of gravitation (i.e. acceleration) time slows down ETI Föreläsning ETI Föreläsning 20

Time at the surface of the earth Time in space 2011-02-22 ETI 125 - Föreläsning 21 2011-02-22 ETI 125 - Föreläsning 22 Time dilation

NIST) We need an accuracy of 20-30 ns between clocks Special theory of relativity gives a drift of -7 μs/day = -7000 ns/day at the

6 Time at the surface of the earth Time in space ETI Föreläsning ETI Föreläsning 22 Time dilation effects: Accuracy (Enl. NIST) We need an accuracy of ns between clocks Special theory of relativity gives a drift of -7 μs/day = ns/day at the sattellite NIST-F1 General theory of relativity gives a drift of +45 μs/day = ns/day at the sattelite Total drift equals ns/dag, +38 μs, (Approx. 11 km/day) ETI Föreläsning ETI Föreläsning 24

7 Solution: We need 4 satellites to get a position in three dimensions. If we have access to more signals, we can correct for errors in the local clock. Flatland: ETI Föreläsning ETI Föreläsning 26 Quarts oscillator Tuning fork ETI Föreläsning ETI Föreläsning 28

8 Olika kristallsnitt ger olika egenskaperm Swatch clock ETI Föreläsning ETI Föreläsning 30 Miniaturization Modern GPS units En av de minsta antennerna: 12 x 14 x 18.5 mm Komplett GSM mottagare ETI Föreläsning ETI Föreläsning 32

GPS units with map / plotter Accuracy 2011-02-22 ETI 125 - Föreläsning 33 2011-02-22 ETI 125 - Föreläsning 34 Error histogram Error PDF (Probability Density

050 HISTOGRAM OF HORIZONTAL ERRORS Garmin 12XL (Micropulse antenna) Legend Measured hist2 Predicted phist2 Predicted histogram is based on the measured RMS error of

0 20 days data Error Distance (1-meter bins) Fix every 2 seconds Probability(Error < Distance) MEASURED AND MODELED DISTRIBUTION OF HORIZONTAL ERRORS Garmin emap

9 GPS units with map / plotter Accuracy ETI Föreläsning ETI Föreläsning 34 Error histogram Error PDF (Probability Density function) Proportion of Measurements HISTOGRAM OF HORIZONTAL ERRORS Garmin 12XL (Micropulse antenna) Legend Measured hist2 Predicted phist2 Predicted histogram is based on the measured RMS error of 5.0 m over the 20 days days data Error Distance (1-meter bins) Fix every 2 seconds Probability(Error < Distance) MEASURED AND MODELED DISTRIBUTION OF HORIZONTAL ERRORS Garmin emap (GA-27C antenna) Measured distribution Modeled distribution (based on measured 4.01 m RMS error) Error Meas. Pred. 50% (CEP) 2.9 m 3.3 m Mean 3.3 m 3.6 m 0.30 RMS 4.0 m (meas.) 95% 6.9 m 7.0 m % 10.1 m 8.6 m Distance [meters] 30 days data Fix every 2 seconds ETI Föreläsning ETI Föreläsning 36

10 Indoor GPS Train station ETI Föreläsning ETI Föreläsning 38 Urban canyon Urban canyon II ETI Föreläsning ETI Föreläsning 40

11 Local transmitters: Antennas on a GPS satellite ETI Föreläsning ETI Föreläsning ETI Föreläsning ETI Föreläsning 44

12 Frequency Bands L MHz P(Y)-code C/A-code L MHz P(Y)-code L MHz Link Budget Satellite TX: 14.3 dbw ( 27 W) Satellite antenna gain: db Polarization mismatch loss: 3.4 db Path loss: db Atmospheric attenuation: 2.0 db Recieve antenna gain: 3.0 db L MHz Power at reciever input: -160 dbw (10-16 W) L MHz ETI Föreläsning ETI Föreläsning 46 Spectral power density of recieved signal ETI Föreläsning ETI Föreläsning 48

13 Sprctral power density of corr. signal ETI Föreläsning ETI Föreläsning 50 Assisted GPS ETI Föreläsning 51

14 GLONASS GALILEO Fully functional sattelites launches in 2012 System functional in ETI Föreläsning ETI Föreläsning 54 Base station positioning WiFi positioning ETI Föreläsning ETI Föreläsning 56

15 Heat map positioning GPS risks ETI Föreläsning ETI Föreläsning 58

Relevanta dokument

Framtida satellitsystem och signaler - fördelar och utmaningar

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