Παγκόσμια Δορυφορικά Συστήματα Πλοήγησης ΒΑΛΜΗΣ Σ. ΑΓΓΕΛΙΔΗΣ Μ. Νοέμβριος 2007

Παγκόσμια Δορυφορικά Συστήματα Πλοήγησης Global Navigation Satellite Systems (GNSS) GPS BEIDOU GLONASS GALILEO

Παγκόσμια Δορυφορικά Συστήματα Πλοήγησης Εισαγωγή Ιστορική Αναδρομή Υπολογισμός της θέσης από μετρήσεις αποστάσεων Το σύστημα GPS Το τμήμα του διαστήματος. Το επίγειο τμήμα ελέγχου. Το τμήμα χρηστών - Εφαρμογές Το σήμα GPS Σφάλματα Διαφορικός εντοπισμός DGPS/RTK Το σύστημα GALILEO Το σύστημα GLONASS

Ιστορική Αναδρομή Η ανάγκη του ανθρώπου να ξέρει το που βρίσκεται ή το πώς θα πάει στον προορισμό του είναι αρχέγονη. Οι πρώτοι άνθρωποι χρησιμοποιούσαν αντικείμενα από το φυσικό τους περιβάλλον (δέντρα, βουνά, ποτάμια κλπ.) ως σημεία αναφοράς προκειμένου να φτάσουν στον προορισμό τους. 01/04

Ιστορική Αναδρομή Στα μακρινά ταξίδια τους, οι πρώτοι θαλασσοπόροι χρησιμοποιούσαν τα μόνα σημεία αναφοράς που είχαν στην διάθεση τους: το φεγγάρι, τον ήλιο και τα άστρα. 02/04

Ιστορική Αναδρομή Κατά την διάρκεια του Β΄ Παγκοσμίου πολέμου , οι Η.Π.Α. έθεσαν σε λειτουργία το σύστημα LORAN (LOng RAnge Navigation) το οποίο αποτελείτο από επίγειους πομπούς ηλεκτρομαγνητικών σημάτων . 03/04

Ιστορική Αναδρομή Τα Παγκόσμια Δορυφορικά Συστήματα Πλοήγησης προήλθαν από μια φαινομενικά απλή ιδέα, την τοποθέτηση πομπών ηλεκτρομαγνητικών σημάτων σε δορυφόρους. Η θέση κάθε δορυφόρου ως προς την γη μπορεί να υπολογιστεί με μεγάλη ακρίβεια. Εάν είναι γνωστή η θέση ενός χρήστη ως προς κάποιους δορυφόρους, τότε εύκολα μπορεί να βρεθεί και η θέση του ως προς την γη. 04/04

Υπολογισμός της θέσης Ας υποθέσουμε ότι βρισκόμαστε κάπου ανάμεσα σε 3 εκκλησίες όπου: Η κάθε μια διαθέτει ρολόι ακριβείας το οποίο κάθε ολόκληρη ώρα προκαλεί καμπανοκρουσία. Ο ήχος κάθε καμπάνας είναι διαφορετικός αλλά γνωστός. Ο ήχος από τις καμπάνες σε εμάς ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή. Εμείς διαθέτουμε ρολόι ακριβείας. 01/04

Υπολογισμός της θέσης ΧΩΡΙΟ ΧΡΟΝΟΣ ΑΠΟΣΤΑΣΗ Α 15:00:02 2 x 344m=688m Β 15:00:03 3 x 344m=1032m Γ 15:00:07 7 x 344m=2408m 02/04

Υπολογισμός της θέσης Σφάλμα 1 sec προκαλεί σφάλμα 344m. X Σφάλμα 1 sec προκαλεί σφάλμα 344m. Το πρόβλημα ξεπερνιέται αν υπάρχει και ήχος από τέταρτη καμπάνα. Το GPS σήμα κινείται με την ταχύτητα του φωτός. Σφάλμα 1msec προκαλεί σφάλμα 300km περίπου! Απαιτείται και τέταρτος δορυφόρος. 03/04

Υπολογισμός της θέσης Εάν τα σημεία Α,Β,Γ δεν είναι στο ίδιο επίπεδο τότε χρησιμοποιούμε σφαίρες αντί για κύκλους. Τομή 2 σφαιρών Η μία από τις δύο λύσεις απορρίπτεται επειδή δεν είναι ρεαλιστική Τομή 3 σφαιρών 04/04

GPS – Εισαγωγή Το GPS είναι ένα παθητικό, παντός-καιρού δορυφορικό σύστημα το οποίο σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε από το Υπουργείο Αμύνης των Η.Π.Α. για να ικανοποιήσει τις ανάγκες των στρατιωτικών μονάδων για συνεχή και ακριβή προσδιορισμό της θέσης τους, της ταχύτητας τους και της ώρας σε ένα παγκόσμιο σύστημα αναφοράς, οπουδήποτε πάνω ή κοντά στην γη (π.χ. αεροπλάνο, δορυφόρο) με την προϋπόθεση να μην παρεμβάλετε εμπόδιο μεταξύ του χρήστη και των δορυφόρων*. * Διαθέτει επίσης και αισθητήρες για εντοπισμό ατομικών εκρήξεων 01/02

GPS – Εισαγωγή Το GPS αποτελείται από τρία κυρίως λειτουργικά τμήματα: Το τμήμα του διαστήματος. Αποτελείται από τους δορυφόρους κα τα σήματα που αυτοί εκπέμπουν. Το επίγειο τμήμα ελέγχου. Ένα σύνολο επίγειων σταθμών που εποπτεύει και επεμβαίνει όπου απαιτείται για την ομαλή λειτουργία των δορυφόρων. Το τμήμα χρηστών. Όλο το φάσμα εξοπλισμού, εφαρμογών και υπολογιστικών τεχνικών που είναι διαθέσιμα στον χρήστη. 02/02

GPS – Τμήμα διαστήματος. 24 ενεργοί και 4 εφεδρικοί δορυφόροι. ομοιόμορφα κατανεμημένοι σε 6 τροχιές. Σχεδόν κυκλικές τροχιές σε υψόμετρο ~20200km και περίοδο 11 ώρες 58 λεπτά γωνία κλίσης ως προς τον ισημερινό 55ο. Ταχύτητα ~ 3,9 km/sec H διάταξη των δορυφόρων είναι τέτοιο ώστε να εξασφαλίζεται: η ορατότητα τουλάχιστον 4 δορυφόρων, με καλή διάταξη, οποιαδήποτε χρονική στιγμή και σε οποιοδήποτε σχεδόν σημείο της γης. 01/02

GPS – Τμήμα διαστήματος. ΤΥΠΟΣ Block I Block II Block IIA Block IIR Block IIR-M Περίοδος 1978-1985 14/2/1989-1/10/1990 26/11/1990-06/11/1997 1/1997-06/11/2004 26/9/2005 Τέθηκαν σε τροχιά 10 9 19 12+1 1 Εν ενεργεία 15 12 SVN - 13-21 22-40 41-47, 51,54,56,59-61 53 Βάρος σε Kg 845 1500 1800 2000 2032 Αυτονομία σε ημέρες 14 180 Αναμενόμενος χρόνος λειτουργίας 4,5 7,3 7.8 Διάρκεια λειτουργίας >10 Ατομικά Ρολόγια 1 Cs + 2 Rb 2 Cs + 2 Rb 3 Rb Κατ/στής Rockwell Corporation Lockheed Martin Corporation Rb: Ρουβίδιο Cs : Καίσιο 02/02 Τα ατομικά ρολόγια «χάνουν» 1 δευτερόλεπτο κάθε περίπου 3000000 χρόνια.

GPS – Τμήμα ελέγχου. Το επίγειο τμήμα ελέγχου αποτελείται από: 1 Κεντρικό Σταθμό Ελέγχου (Master Control Station). 5 απομακρυσμένους Σταθμούς Παρακολούθησης (Monitor Stations). 3 Σταθμούς Επικοινωνίας (Ground Control Stations).

Το σήμα GPS - Σφάλματα Ρολόι δορυφόρου (10-9 sec -> 30cm σφάλμα) Ρολόι δέκτη (1 sec -> 300.000m σφάλμα) Επιλεκτική διαθεσιμότητα (Selective availability) – Έχει καταργηθεί Εφημερίδα δορυφόρου Ατμόσφαιρα: Τροπόσφαιρα (0-15km) Ιονόσφαιρα (60-200km) Multipath (Σφάλμα πολλαπλών διαδρομών ) Σφάλματα δέκτη, Αντένας, κλπ.

Το σήμα GPS - RTK GPS http://www.swgeo.us/equipment.html

EGNOS – WAAS - MTSAT Δορυφορικά συστήματα αυξημένης ακρίβειας. (Satellite Based Augmentation System) Πρόκειται για συστήματα αποτελούμενα από δορυφόρους και επίγειους σταθμούς τα οποία εκπέμπουν διορθώσεις για τα σήματα GPS και το GLONASS. Τα πιο γνωστά Δορυφορικά συστήματα αυξημένης ακρίβειας είναι: EGNOS WAAS MTSAT

Τμήμα χρηστών-Εφαρμογές. Ναυσιπλοΐα Οδικό Δίκτυο Πλοήγηση / Συγκοινωνίες Σιδηροδρομικό Δίκτυο Αεροπορία 01/07

Τμήμα χρηστών-Εφαρμογές. Πλεονεκτήματα: Αποτελεσματικότερη πλοήγηση (εντοπισμός θέσης οχήματος, αποφυγή οδών με αυξημένη κίνηση, λήψη πληροφοριών για βενζινάδικα, τον καιρό, κλπ.) Καλύτερη διαχείριση στόλου οχημάτων (ποιο ταξί είναι πλησιέστερα στον πελάτη; Πότε αναμένεται να φτάσει το όχημα στον προορισμό του;) Αποφυγή συγκρούσεων (κυρίως ναυσιπλοΐα, αεροπορία ) Έγκαιρος εντοπισμός τόπου ατυχήματος Ομαλότερη λειτουργία διοδίων Εντοπισμός παραβατών 02/07

Τμήμα χρηστών-Εφαρμογές. Τηλεπικοινωνίες Επείγουσες κλήσεις (E-112 Ευρώπη, E-911 Η.Π.Α.) Υπηρεσίες εντοπισμού θέσης (πλησιέστερα φαρμακεία, εστιατόρια κλπ.) Καλύτερη αξιοποίηση τηλεπικοινωνιακών δικτύων 03/07

Τμήμα χρηστών-Εφαρμογές. Κατασκευές Παρακολούθηση της συμπεριφοράς μεγάλων έργων (γέφυρες, φράγματα κλπ.) Παρακολούθηση και χειρισμός μηχανών σε εργοτάξια 04/07

Τμήμα χρηστών-Εφαρμογές. Γεωργία Ψεκασμοί Αποτύπωση εκτάσεων με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά (προσβληθεί από κάποια ασθένεια, επιδοτήσεις) Παρακολούθηση ζωικού πληθυσμού 05/07

Τμήμα χρηστών-Εφαρμογές. Αλιεία Παρακολούθηση αλιευτικών σκαφών Παρακολούθηση / Εντοπισμός αλιευτικών εργαλείων (π.χ. ξιφιοπαράγαδα, αφρόδιχτα) Ακριβή προσδιορισμό ψαρότοπου 06/07

Τμήμα χρηστών-Εφαρμογές. Φυσικό περιβάλλον Παρακολούθηση εστιών μόλυνσης (π.χ. πετρελαιοκηλίδες) ή παγόβουνων Μελέτη της στάθμης της θάλασσας Πρόβλεψη καιρού και ατμοσφαιρικής σύνθεσης Καταγραφή της μετακίνηση τεκτονικών πλακών 07/07

Galileo Βασικά χαρακτηριστικά του είναι: Η εξαιρετική ακρίβεια, Η εγγύηση καλής λειτουργίας Ο έλεγχος και η διαχείριση του από μη στρατιωτικές υπηρεσίες Η συμβατότητα του με το GPS and το GLONASS. Η ενεργή συμμετοχή του σε επιχειρήσεις αναζήτησης και διάσωσης. 01/03

Galileo Χρονοδιάγραμμα 2005 – Πρώτος δοκιμαστικός δορυφόρος (28/12/05). 2008 – Ολοκλήρωση και πλήρης λειτουργία του συστήματος GALILEO. Αρχιτεκτονική συστήματος 30 δορυφόροι (27 ενεργεί, 3 εφεδρικοί). 3 τροχιές. γωνία κλίσης κάθε τροχιάς: 560. Ύψος: 23222 km πάνω από την γη. 02/03

Galileo Προϋπολογισμός (Ι) Το σύστημα Galileo δεν θεωρείται δαπανηρό έργο. Το κόστος του (περίπου 3,4 δις €) είναι το ίδιο με αυτό της κατασκευής ενός ημιαστικού αυτοκινητόδρομου 150 χιλιομέτρων. Τα 2/3 του συνολικού προϋπολογισμού θα καλυφθούν από ιδιωτικά κεφάλαια και τα υπόλοιπα από την ΕΕ και ΕΟΔ (ESA). Τα πλεονεκτήματα αναμένονται εντυπωσιακά: περισσότερες από 100.000 θέσεις εργασίας και μια αγορά εξοπλισμού και υπηρεσιών της τάξης των 200 δις € περίπου ετησίως έως το 2013. 03/03

GLONASS 24 δορυφόροι. Ομοιόμορφα κατανεμημένοι σε 3 τροχιές. Σε σχεδόν κυκλικές τροχιές με ύψος περίπου 19100 km και περίοδο 11 ώρες 15 λεπτά γωνία κλίσης ως προς τον ισημερινό 64,8ο. Παρατηρήσεις: 12 δορυφόροι σε λειτουργία εξαιτίας περιορισμών στη χρηματοδότηση του (20/11/06). Ανήκει στο Υπουργείο Άμυνας της Ρωσίας

Συστ. Αδρανειακής Πλοήγησης Τα Συστήματα Αδρανειακής Πλοήγησης (Inertial Navigation Systems) περιλαμβάνουν 3 Γυροσκόπια και 3 Επιταχυνσιόμετρα (accelerometers) και μπορούν να αντικαταστήσουν το GPS για μικρά χρονικά διαστήματα που αυτό είναι ανενεργό (π.χ. μέσα σε τούνελ). 01/02

Συστ. Αδρανειακής Πλοήγησης Σοβαρό μειονέκτημα των Συστημάτων Αδρανειακής Πλοήγησης αποτελεί το υψηλό κόστος. Τα τελευταία χρόνια έχουν κάνει την εμφάνιση τους στην αγορά Μικρο-ΗλεκτροΜηχανικά Συστήματα (ΜΗΜΣ) Αδρανειακής Πλοήγησης. Κύρια χαρακτηριστικά τους οι μικρές διαστάσεις τους, το χαμηλό κόστος αλλά και η μικρότερη ακρίβεια. 02/02

Παράρτημα 1 Χρήσιμες τιμές. Σταθερές c=299792458 m/sec Τιμές που αφορούν την γη Ακτίνα της γης στον ισημερινό: 6.378.137m Ακτίνα της γης στους πόλους: 6.356.752m Γωνιακή ταχύτητα: 7292115 x 10-11 rad/sec Γραμμική ταχύτητα: περίπου 465m/sec Απόσταση ηλίου: 149.600.000.000 m Μάζα 5.97x1024kg

Παράρτημα 2 Για να διαγράψει ένα βλήμα μια πλήρη περιστροφή, η ταχύτητα του θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 28000 km/h και η αντίσταση του αέρα να είναι μηδενική. Σε αυτή την περίπτωση η περίοδος περιστροφής θα είναι 84,4 λεπτά.

Παράρτημα 3 Από όλα τα διαστημικά θραύσματα τα πιο επικίνδυνα είναι αυτά με διαστάσεις από 1 cm έως 10 cm. Λόγω της μεγάλης ταχύτητας τους μπορούν να προκαλέσουν μεγάλες ζημιές αλλά και λόγω του μικρού τους μεγέθους δεν μπορούν να εντοπιστούν

Δορυφορικές Εικόνες Μέγιστη ευκρίνεια σήμερα: 0,61μ Δορυφόρος: QuickBird Digital-Globe (www.digitalglobe.com) Μέσα στο 2006 αναμένεται η ευκρίνεια να φτάσει 0,25μ. Η στρατιωτικοί κατασκοπευτικοί δορυφόροι πιστεύεται ότι έχουν ευκρίνεια 0,10μ. 01/02

Δορυφορικές Εικόνες Ολυμπιακό Στάδιο, Αθήνα, 2004. QuickBird, 0.61μ. 02/02