Τηλεπισκόπηση στο Θαλάσσιο Περιβάλλον Ενότητα 2α: Παγκόσμιο Δορυφορικό Σύστημα-GPS Γιώργος Παπαθεοδώρου Σχολή Θετικών Επιστημών Τμήμα Γεωλογίας

2 Τίτλος Ενότητας Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα CC BY-NC-ND 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Σύμφωνα με αυτήν την άδεια ο δικαιούχος σας δίνει το δικαίωμα να: Μοιραστείτε — αντιγράψετε και αναδιανέμετε το υλικό Υπό τους ακόλουθους όρους: Αναφορά Δημιουργού — Θα πρέπει να καταχωρίσετε αναφορά στο δημιουργό, με σύνδεσμο της άδειας Μη εμπορική χρήση — Δεν μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το υλικό για εμπορικούς σκοπούς Μη παράγωγα έργα — Μπορείτε να αναδιανείμετε το υλικό ως έχει, χωρίς να προβείτε σε αλλαγές (ανάμιξη, τροποποίηση)

3 Τίτλος Ενότητας Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

4 Τίτλος Ενότητας Σκοποί ενότητας Η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του Παγκόσμιου Δορυφορικού Συστήματος- GPS. Παρουσίαση των βασικών αρχών λειτουργίας του Παγκόσμιου Δορυφορικού Συστήματος- GPS. Ανάδειξη της σημαντικότητας του στις επιστήμες της θάλασσας.

5 Τίτλος Ενότητας Περιεχόμενα ενότητας  Τι είναι το GPS.  Πως λειτουργεί το GPS.  Ποιες βασικές αρχές το διέπουν.  Ποιά είναι η εφαρμογή του στις επιστήμες της θάλασσας.

6 Τίτλος Ενότητας Παγκόσμιο Δορυφορικό Σύστημα Global Positioning System (GPS) Το GPS μας δίνει τη δυνατότητα να: εντοπίζουμε τη θέση μας στο θαλάσσιο περιβάλλον να έχουμε επαναληψιμότητα στις μετρήσεις μας στο πεδίο.

7 Τίτλος Ενότητας Ένα δίκτυο δορυφόρων οι οποίοι εκπέμπουν συνεχώς κωδικοποιημένες πληροφορίες που κάνει εφικτό τον ακριβή προσδιορισμό της θέσης πάνω στη Γη. Τι είναι το GPS;

8 Τίτλος Ενότητας Τα τρία μέρη του GPS Το GPS αποτελείται από το Τμήμα Διαστήματος, το Τμήμα Ελέγχου και το Τμήμα Χρηστών.

9 Τίτλος Ενότητας Μερικά χαρακτηριστικά του συστήματος GPS Ο πρώτος GPS δορυφόρος τέθηκε σε τροχιά το 1978 Εγκατάσταση 24 δορυφόρων από το 1994 Χρόνος ζωής δορυφόρου τα 10 χρόνια Συνεχής εκπομπή κωδικοποιημένων ραδιοκυμάτων

10 Τίτλος Ενότητας Το σύστημα ελέγχου του GPS Η γεωγραφική κατανομή των Επίγειων Σταθμών στην υφήλιο. Ο Κύριος Σταθμός Ελέγχου βρίσκεται στο Colorado Springs, USA.

11 Τίτλος Ενότητας Oι δορυφόροι του GPS 24 δορυφόροι σε έξι τροχιές σε ύψος 20,300 km με ταχύτητα 14,300 km/h ένα μήνυμα πλοήγησης με 50 bit /s στη φέρουσα συχνότητα μικροκυμάτων της τάξης των 1,600 MHz. εκπέμπουν στα MHz (σήμα L1) και στα MHz (σήμα L2)

12 Τίτλος Ενότητας «Είµαι ο δορυφόρος Χ, η θέση µου αυτή τη στιγµή είναι Υ, και το μήνυμα αυτό εστάλη την Ζ ώρα». Τί εκπέμπει ένας δορυφόρος GPS;

13 Τίτλος Ενότητας Πώς λειτουργεί το GPS; Βήμα 1. Τριγωνισμός Βήμα 2. Μέτρηση απόστασης από τους δορυφόρους Βήμα 3. Συγχρονισμός ρολογιών Βήμα 4. Εύρεση θέσης δορυφόρων Βήμα 5. Διορθώσεις

14 Τίτλος Ενότητας Βήμα 1. Τριγωνισμός Μετρώντας με πολύ μεγάλη ακρίβεια την απόσταση που έχουμε από 3 δορυφόρους μπορούμε να «τριγωνοποιήσουμε» τη θέση μας οπουδήποτε πάνω στη Γη.

15 Τίτλος Ενότητας Με μέτρηση από 1 δορυφόρο η θέση μας περιορίζεται στην επιφάνεια μιας σφαίρας. Μέτρηση από 1 δορυφόρο

16 Τίτλος Ενότητας Με μέτρηση από 2 δορυφόρους η θέση μας περιορίζεται ακόμα ποιο συγκεκριμένα στην περιοχή τομής των δύο σφαιρών. Μέτρηση από 2 δορυφόρους

17 Τίτλος Ενότητας Με μέτρηση από 3 δορυφόρους η θέση μας προσδιορίζεται πλέον σε ένα από τα δύο πιθανά σημεία τομής των 3 σφαιρών. Μέτρηση από 3 δορυφόρους

18 Τίτλος Ενότητας Βήμα 2. Μέτρηση απόστασης από τους δορυφόρους Απόσταση = Ταχύτητα* x Χρόνος ( dx= U * dt) * ως ηλεκτρομαγνητικό σήμα, η ταχύτητα του ισούται με την ταχύτητα του φωτός, δηλαδή περίπου ίση με χλμ. το δευτερόλεπτο Το GPS υπολογίζει την απόσταση μεταξύ του δορυφόρου και του χρήστη πολλαπλασιάζοντας τον χρόνο που χρειάστηκε το σήμα να φτάσει στον δέκτη με την ταχύτητα του σήματος.

19 Τίτλος Ενότητας Το πρόβλημα έγκειται στο ότι δεν είναι γνωστή η χρονική στιγμή που εκπέμφθηκε το σήμα από τον δορυφόρο. Για τον λόγο αυτό κάθε δορυφόρος στέλνει μαζί με το σήμα και ένα ψηφιακό κωδικό τον οποίο παράγει στην συνέχεια και ο δέκτης κάθε 1 mS. Με την διαφορά φάσης των δύο αυτών κωδικών βρίσκεται η απόλυτη θέση του δορυφόρου. Μέτρηση Χρόνου

20 Τίτλος Ενότητας Ο κάθε δορυφόρος διαθέτει 4 ατομικά ρολόγια, 1 σε λειτουργία και 3 για ασφάλεια, με ακρίβεια τις τάξεως του nS. Με βάση αυτά γίνεται ο συγχρονισμός των δορυφόρων και του δέκτη με αποτέλεσμα να απαλείφονται τα λάθη που οφείλονται στην διαφορά φάσης μεταξύ τους. Βήμα 3. Συγχρονισμός ρολογιών Συγχρονισμένος ΔείκτηςΑσυγχρόνιστος Δείκτης

21 Τίτλος Ενότητας Οι GPS δέκτες έχουν ένα ημερολόγιο (almanac) στους υπολογιστές τους, στο οποίο καταχωρούνται δεδομένα σχετικά με την ακριβή σημεία στα οποία βρίσκονται οι δορυφόροι στον ουρανό. Βήμα 4. Εύρεση θέσης δορυφόρου

22 Τίτλος Ενότητας Βήμα 5. Διορθώσεις Τέλος με βάση τα παραπάνω αλλά και με την διόρθωση της θέσης λόγω κάποιων δευτερευόντων πηγών σφαλμάτων. Οι πηγές αυτές είναι φυσικές αλλά και τεχνητές είτε ένας συνδυασμός αυτών των δύο. Ως φυσικές είναι η Στρωμάτωση της ατμόσφαιρας της Γής (Ιονόσφαιρα, Τροπόσφαιρα) και τα Σφάλματα τροχιάς (Ephemeris error- Orbital errors). Ως τεχνητές είναι η Επιλεκτική διαθεσιμότητα (Selective availability) και η Σχετική θέση των δορυφόρων (Dilution of Precision DoP). Συνδυαστικές πηγές σφαλμάτων είναι τα διάφορα Εμπόδια που συναντά το σήμα ( βουνά, ουρανοξύστες κλπ.) και τα Ηλεκτρομαγνητικά πεδία.

23 Τίτλος Ενότητας Η στρωμάτωση της ατμόσφαιρας μπορεί να δημιουργήσει, λόγω διάθλασης, ένα δευτερεύον σήμα που θα φτάσει στον δέκτη με διαφορά χρόνου από το πρώτο σήμα. Το ίδιο μπορεί να συμβεί και λόγο της ανάκλασής του σήματος σε μία επιφάνεια (Multipath effect). Υπερκάλυψη του σήματος ή υποβάθμιση του μπορεί να συμβεί σε περιοχές με έντονα ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Πηγές Σφαλμάτων GPS – Ατμόσφαιρα και Ηλεκτρομαγνητικά Πεδία

24 Τίτλος Ενότητας Διάφορα εμπόδια φυσικά η τεχνητά μπορούν να παρεμβάλλονται μεταξύ του χρήστη και του σήματος του δορυφόρου δημιουργώντας σφάλματα στην εύρεση της θέσης του χρήστη ή μειώνοντας την ακρίβεια εντοπισμού της. Πηγές Σφαλμάτων GPS – Εμπόδια

25 Τίτλος Ενότητας Το σφάλμα αυτό δημιουργείται λόγω της σχετικής θέσης των δορυφόρων στο διάστημα και του χρήστη. Σε περίπτωση που οι δορυφόροι είναι σε κοντινή απόσταση μεταξύ τους, το πεδίο αλληλοεπικάλυψης τους αυξάνει μειώνοντας την ακρίβεια εντοπισμού της θέσης. Πηγές Σφαλμάτων GPS – Σχετική θέση των δορυφόρων (Dilution of Precision) Πιθανή Θέση Δέκτη

26 Τίτλος Ενότητας Η ελκτική δύναμη της σελήνης και του ήλιου είναι ικανές να αλλάξουν ελάχιστα την πορεία του δορυφόρου δημιουργώντας ένα λάθος στην ακρίβεια της θέσης της τάξεως των μερικών μέτρων. Το λάθος αυτό διορθώνεται αυτόματα καθώς κάθε δορυφόρος βρίσκεται σε μια προκαθορισμένη τροχιά, οπότε μετρώντας τη διαφορά στον χρόνο που περνά ο δορυφόρος από ένα προκαθορισμένο σημείο από τον προγραμματισμένο χρόνο διέλευσης βρίσκεται η ακριβής τροχιά του. Πηγές Σφαλμάτων GPS – Σφάλματα τροχιάς

27 Τίτλος Ενότητας Η εκλεκτική διαθεσιμότητα είναι ένα τεχνητό σφάλμα που προκύπτει στο σήμα του δορυφόρου, όταν αυτός στέλνει λανθασμένα δεδομένα για την ακριβή θέση του δορυφόρου στον χρήστη δίνοντας μία εσφαλμένη θέση, που απέχει από την πραγματική μερικές δεκάδες μέτρα. Πηγές Σφαλμάτων GPS – Εκλεκτική διαθεσιμότητα (Selective Availability)

28 Τίτλος Ενότητας Διαφορικό Σύστημα Προσδιορισμού Θέσης ( Differential GPS – DGPS) Το DGPS πρόκειται για ένα σύστημα που βελτιώνει την ακρίβεια των συμβατικών GPS. Σε περιοχές με τη βέλτιστη χρήση η ακρίβεια περιορίζεται από τα 15 μέτρα έως και στα 10 εκατοστά. Το DGPS χρησιμοποιεί ένα σύστημα σταθμών αναφοράς, δηλαδή δέκτες με γνωστή και σταθερή θέση οι οποίοι ελέγχουν το σήμα των δορυφόρων για μικροσφάλματα ως προς την σχετική τους θέση στο διάστημα και αποστέλλουν τις διορθώσεις αυτές στον δέκτη του χρήστη μέσω πομπών μικρής εμβέλειας.

29 Τίτλος Ενότητας ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ

30 Τίτλος Ενότητας ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΙΣ ΘΑΛΑΣΣΙΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ Το GPS στις θαλάσσιες επιστήμες χρησιμοποιείται: Για την πλοήγηση και την ακριβή χάραξη πορειών. Για ακρίβεια σε θέσεις δειγματοληψίας και εγκαταστάσεις θαλάσσιων παρατηρητηρίων. Για τον γεωγραφικό προσδιορισμό των θαλάσσιων γεωφυσικών δεδομένων.

31 Τίτλος Ενότητας

32 Τίτλος Ενότητας Σημείωμα Αναφοράς Copyright, Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Γεωλογίας, Γιώργος Παπαθεοδώρου. «Τηλεπισκόπηση στο Θαλάσσιο Περιβάλλον». Έκδοση: 1.0. Πάτρα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:

33 Τίτλος Ενότητας Τα σχήματα και οι πίνακες χωρίς αναφορές, έχουν δημιουργηθεί από τους διδάσκοντες του μαθήματος, την ερευνητική ομάδα του Εργαστηρίου Θαλάσσιας Γεωλογίας και Φυσικής Ωκεανογραφίας, Τμ. Γεωλογίας, Παν. Πατρών και την Τμηματική Ομάδα Εργασίας και διατίθενται με την άδεια CC BYNC-ΝD 4.0. Όλες οι φωτογραφίες (χωρίς αναφορές) της παρουσίασης προέρχονται από προσωπικό αρχείο του διδάσκοντα και του Εργαστηρίου Θαλάσσιας Γεωλογίας και Φυσικής Ωκεανογραφίας, Τμ. Γεωλογίας, Παν. Πατρών και διατίθενται με την άδεια CC BY-NC-ΝD 4.0. Αναφορές