|
|
|
Thomas Hellström |
|
Institutionen för Datavetenskap |
|
Umeå universitet |
|
|
|
|
Inledning |
|
Hur det funkar: triangulering? |
|
Felkällor |
|
Förbättrade varianter |
|
Prestanda |
|
Kombination med INS |
|
|
|
|
Levererar positionen för en rörlig
mottagare:
Latitud, Longitud, Altitud |
|
Hastighet och rörelse-riktning kan beräknas |
|
|
|
|
|
|
GPS: världsdominerande
19 miljarder USD |
|
GLONASS |
|
Galileo: civilt, europeiskt
26 miljarder kr. |
|
|
|
|
Framställt och ägs av
USA:s försvarsmakt |
|
24+ satelliter och 5
monitorstationer |
|
Ca. 20 200km över
jordytan. |
|
12 timmars omloppstid |
|
Beroende på typ av GPS är felet (95%) mellan 15
meter och 20mm |
|
|
|
|
Radiosignaler skickas från satelliten till
mottagare på marken på två kanaler |
|
Mät löptiden från
satelliterna till
GPS-mottagaren |
|
”Triangulering”
(trilaterering) ger
positionen |
|
|
|
|
|
Satelliten skickar ”Pseudo Random Codes” PRC |
|
Unik för varje satellit |
|
Svår att störa |
|
Löptiden ù67ms (från jordytan) |
|
Mottagaren genererar samma PRC samtidigt |
|
Vi förutsätter synkroniserade klockor (så länge) |
|
Flytta i sidled tills PRC matchar i alla
positioner: |
|
|
|
|
|
|
|
|
s1
=20100: Vi befinner
oss någonstans på en sfär |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Minst tre satelliter krävs! |
|
Av de
24 som är uppskjutna |
|
syns
alltid minst 5 från varje |
|
plats
på jorden. |
|
|
|
|
Brusnivån är extremt hög |
|
Dela upp i segment (chipping) |
|
Matcha bit för bit i PRC mot segmentet. |
|
50% korrekt om signalen är rent brus. |
|
Om segmentet innehåller samma bitmönster som PRC
ökar sannolikheten för matchning |
|
Genom att upprepa matchningen 100 eller 1000
ggr.
fås ett stabilt mått; man har förstärkt signalen |
|
Vi slipper parabolantenner på GPS-mottagarna! |
|
|
|
|
|
|
Mottagaren är inte synkroniserad med satellitens
atom-ur |
|
Uppskattningen av satellitens position |
|
Ljushastigheten är bara konstant i vakum |
|
”Multi path errors” : Spöksignaler från
studsande radiovågor |
|
”Selective availability (SA)” :Medvetna
störningar från DoD |
|
Ej fri sikt till tillräckligt många satelliter |
|
Brus i mottagaren |
|
|
|
|
|
|
|
|
För att beräkna GPS-mottagarens position (x,y,z)
krävs att satelliternas positioner (xi ,yi ,zi)
är korrekt angivna |
|
Satelliterna går i nästan perfekta banor som
dock har sk. Ephemeris errors orsakade av bl.a. solvind och
sol/mångravitation |
|
|
|
|
Monitorstationerna observerar hela tiden
satellitbanorna med radar |
|
Korrektionstermer skickas
till satelliterna |
|
|
|
|
Nominellt 300 000 km/sec i vakum |
|
Korrigeringsmetoder: |
|
Modeller av troposfären och jonosfären |
|
Dual frequency receivers : |
|
Låga frekvenser påverkas
mer än höga frekvenser. |
|
Differential GPS |
|
|
|
|
|
Signalen studsar mot föremål; byggnader, broar,
vatten, fordon… |
|
Störningen gör att mottagaren ibland använder en
felaktig och längre distans. |
|
Försök till lösningar: |
|
Beakta bara den ”första” signalen |
|
Diverse signalbehandling |
|
Svårt problem även med sofistikerad hård- och
mjukvara |
|
|
|
|
Ett medvetet fel som lades på tidssignaler och
banparametrar |
|
Infört för att ge DoD ett försprång |
|
Gav ungefär 100 meter brus (95%) |
|
Borttaget av Bill Clinton
1 Maj 2000 (på obestämd tid) |
|
|
|
|
|
|
Satellitgeometrin påverkar beräkningsfelet |
|
Stora vinklar mellan satelliterna ger små fel: |
|
|
|
|
|
Eliminerar eller minskar klockfel, banfel (ephemeris
errors) och jonosfärseffekter |
|
Idé: Felen är ungefär samma för två mottagare
som ligger nära varandra |
|
Placera en fast mottagare på en väldefinerad
plats |
|
Beräkna felet i dess positionsangivelse från
satelliterna |
|
Räkna baklänges för att finna tidsfelet |
|
Skicka det över radio till andra mottagare |
|
|
|
|
|
Tidsfelet (och dess derivata) beräknas för ALLA
satelliter:
Satellit 1 fördröjning 4.6ns
Satellit 4 fördröjning 3.5ns
…. |
|
Tabellen med felkorrektioner skickas via
(radio)länken till GPS-mottagaren |
|
Standard: RTCM SC104 |
|
|
|
|
|
|
|
|
EPOS (Teracom) RDS på P3, P4. Stereomottagning
krävs. 12 referensstationer. 6000kr/år |
|
Ominstar (Fugro) En till satellit. Dåliga
vinklar i norr… 11500kr/år |
|
Mobipos (Generic Mobile) DARC på P3.
12 referensstationer. 1200kr/år. |
|
Sjöfartsverket. Långvågsradio. (8meter eller
1meter fel beroende på mottagarkvaliteten) |
|
LuLIS (försvarsmakten) |
|
EGNOS (European Geostationary Navigation
Overlay) |
|
|
|
|
|
Satelliterna sänder på två frekvenser L1 och L2: |
|
L1: bärvåg 1575.42 MHz. Bithastighet: 1MHz.
Statusmeddelanden och
PRC för tidmätning: C/A eller Course
Acquisition code.
Repetitionscykel: 1023 bitar. |
|
L2: bärvåg 1227.60 MHz. Bithastighet:
10MHz.
Mer exakt militär PRC för tidmätning: P-code.
Kan vara kodad (Y-code)
Repetitionscykel: 7 dygn. |
|
|
|
|
Matchande pseudokoder kan skilja sig en bitlängd
(f~1MHz, T=1msec, l~300m) |
|
Code-Phase-matchning sker på sub-bitnivå, men
3-6 meter fel kvarstår |
|
Precision 95%: ~15 meter |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Matchar fasen även på bärvågen (f=1.57GHz, l~20cm) |
|
Kräver startup-tid: 1 min |
|
Kinematic Carrier-Phase (Real-time Kinematic
RTK) : ~20cm 95% |
|
Static Carrier-Phase : ~20mm 95% |
|
|
|
|
|
(Ex.jobb
Andreas Rönnberg Gävle högskola 2001) |
|
12 kanaler, EPOS DGPS, Carrier Phase på två
kanaler L1 och L2, Multiple path-filter |
|
1800 avläsningar (1/sekund). 7 testplatser i
Sverige |
|
Noggranhet (95%): |
|
Plan Höjd |
|
DGPS:
0,9 1,5 |
|
GPS:
2,3 22,0 orsak: ingen jonosfärsmodell |
|
|
|
|
Mätning längs skogsvägar: 3x, dvs: i plan ~3
meter |
|
Efterberäkning av positioner ger
centimeter-noggrannhet: Lantmäteriverket: http://www.swepos.com |
|
Hastighetsberäkning: ~ +/- 0.1 m/s |
|
Tid: ~50nsec |
|
|
|
|
|
|
Applicera samma felkorrektion
för flera mobila enheter |
|
|
|
|
En variant av ”Död räkning” |
|
Används i flygplan, missiler, ubåtar sedan
50-talet. |
|
F mäts
med 3 accelerometrar |
|
F = m a |
|
Beräknar förflyttning genom att
integrera a
två gånger |
|
Mäter rotation genom att summera gyrovridningar |
|
|
|
|
Illustration: Greg Welsh University of North
Carolina at Chapel Hill, Eric Foxlin InterSense |
|
|
|
|
|
|
|
DGPS när satelliterna syns bra |
|
2 cm real time kinematic (RTK) accuracy |
|
L1, L2 Carrier Phase och Code Phase |
|
INS när satelliterna är skymda (max 1 minut) |
|
Hur ofta är satelliterna skymda? |
|
|
|
|
|
|
Tillverkare: |
|
www.trimble.com |
|
www.novatel.com |
|
www.ashtech.com |
|
www.garmin.com |
|
www.furuno.com |
|
www.leica-gps.com |
|
www.raymarine.com |
|
www.jcair.com |
|
http://www.newlandgeographic.com |
|
|
|
Notes