Satellit-navigering. GPS-tillämpningar

Transkript

1 Satellit-navigering Magnus Bonnedal bidrag från Christer Berner Rymdstyrelsen RUAG Space 1 GPS-tillämpningar Navigering: Bil, båt, flyg, handburen Prospektering: vägar, stadsplanering, byggen Kartering Vetenskapliga: Geodesi kontinentalplattsförflyttning Tidsmätning Jordbruk: sådd, gödsling, skörd Flyg: automatiska landningssystem.. och mycket mera RUAG Space 2

2 GNSS - Global Navigation System Existerande system: GPS (USA) GLONASS (Ryssland) System under uppbyggnad: Galileo (EU) Compass (Kina) Regionala system: QZSS (Japan) IRNSS (Indien) Satellit för Europeiska systemet Galileo RUAG Space 3 GPS Global Positioning System The GPS constellation: Operational in Space Vehicles 6 Orbital planes Orbit radius km 12 h orbits CDMA signals Dual frequency encrypted military precision signals Single frequency civil coarse signals RUAG Space 4

3 Positionering Tid T2 Position P2 Tid T3 Position P3 Tid T4 Position P4 Tid T1 Position P1 RUAG Space 5 GPS-systemet GPS: 30 satelliter i 6 banplan - Banhöjd km - Inklination 55º (banplanets lutning mot ekvatorn) - Omloppstid 12 h RUAG Space 6

4 GPS + Galileo ett supersystem GALILEO GPS Galileo: 30 satelliter i 3 banplan - Banhöjd km - Inklination 56º - Omloppstid 12 h RUAG Space 7 Navigeringsprincip 30 satelliter Cirkulära banor, som mäts noggrant från marken Precisionsklockor ombord SV1 SV2 (stabilitet 1 s/ år!) Varje SV sänder en unik kodad signal, som ger avståndet till SV Varje SV sänder också ett meddelande med dess banparametrar och tids- R1 R2 SV3 korrektion Mottagaren jämför signalerna R3 (avstånden) och räknar ut position, tid Rx och hastighet. RUAG Space 8

5 GPS positionsfel Tät stadsbebyggelse Nära bergssida RUAG Space 9 GPS positionsfel Positionsfel [m] Tät stadsmiljö (5 tim) Nord-syd Bergssida (3 tim) Öst-väst RUAG Space 10

6 Mer GPS positionsfel Atmosfär Signalerna fördröjs olika mycket i atmosfären och jonosfären. Atmosfären kompenseras med modeller Jonosfären kompenseras med mätning på 2 frekvenser eller korrektioner via EGNOS RUAG Space 11 GPS Sensorstation i Kiruna RUAG Space 12

7 Integritet (Galileo) En satellit sänder felaktiga signaler. Varning! inom 6 s Sätt varningsflagga! Övervakningsstation (Ca 40 runt jorden) Kontrollcentral Upplänk RUAG Space 13 Differentiell positionering Tid T2 Position P2 Tid T3 Position P3 Tid T4 Position P4 Tid T1 Position P1 Korrektioner RUAG Space 14

8 Maskinstyrning RUAG Space 15 AIS Automatic Identification System: Fartyg kommunicerar sin: identitet, position, kurs, fart, last, destination RUAG Space 16 mm till trafikledning och andra fartyg

9 Code Correlation GPS C/A RX C/A Code phase adjusted to match GPS signal The autocorrelation function P = Punctual E = Early L = Late L P E The code sequence in the receiver is time delayed until the codes match. The time delay gives the code phase and hence the range to the GPS SV. Code phase delay RUAG Space 17 Principen för GNSS Radio-occultationer Mäter på GPS-signaler Räknar ut strålens krökning α och brytningsindex μ Detta ger luftens tryck och temperatur beroende på höjden Fördelar: - Temperaturnoggrannhet 1K - Upplösning i höjd 1 km - Mätning över hela jorden - Mätning genom moln, - Natt&dag t 1 t2 t 3 Värdefullt för vädermodeller (motsvarar väderballonger) samt klimatforskning GPS RUAG Space 18

10 Ljusets brytning i ett prisma eller radiovågors brytning i atmosfären Hastighet = c Ljus eller Radiovågor Glas eller Atmosfär Hastighet < c RUAG Space 19 Distribution of 600 daily GPS occultations 90 o N 60 o N 30 o N 0 o 30 o S 60 o S 90 o S 180 o W 120 o W 60 o W 0 o 60 o E 120 o E 180 o W RUAG Space 20

11 MetOp ESA EUMETSAT Launch: Low Earth Orbiting (800 km) Global coverage Measures: Temperature Humidity Cloud altitude Wind (direction and speed) Surface pressure Ozone RUAG Space 21 GRAS Instrument Overview Anti-Velocity Antenna (Shaped beam) Navigation/POD Overhead TEC Zenith Antenna RF Conditioning Unit Velocity Antenna (Shaped beam) Setting occultations L 1 L 2 LO IF GEU Rising occultations Electronic Unit Flight Direction RUAG Space 22

12 Occultation Antennas Velocity Antenna pattern shaped to earth rim Coverage ±55 in azimuth (captures all high quality occultations) High antenna gain dbi over the full coverage Suppressed interference and noise Anti Velocity RUAG Space 23 RUAG Space 24

13 METOP GRAS Antennas RUAG Space 25 Bending Angle to Refractivity In a symmetric atmosphere, the bending angle profile can be transformed into a refractivity profile by means of the Abel transform: LEO Onion model: To GPS ln 1 π r α( ξ ) ( μ( r) ) = dξ 2 ξ r 2 (Projection of the ray path on the radius) RUAG Space 26

14 Från brytningsindex till temperatur Refraktivitet, N, definieras som: μ( h) = 1 + N( h) 10 6 Dominerande term in refraktiviteten: N = k 1 Pd T Hydrostatisk jämvikt: (trycket = vikten av luften ovanför) + Allmänna gaslagen: P = ρ RT m Allmänna gaslagen: P = tryck ρ = densitet T = temperatur R = gaskonstanten m = molaritet mp( h) P ( h) = ρ( r) g( r) dr T( h) = Rρ( h) + R E h RUAG Space 27 Temperaturprofil beräknad från mätdata RUAG Space 28