GPS&Digital Mapping

Luciano Rossi 3f2 2007/07

NAVSTAR GPS satellitePhoto courtesy NASA

Predhovor: GPS systém

Techológia “global positioning system”[GPS] bola vytvorená v ‘70 rokoch na vojenské účely pre US Departments of Transport and Navy.

Tento systém je tiež známy pod menom NAV STAR (navigation satellite timing and ranging system).

Kedže tento systém sa ďalej vyvýjal, stalo sa, že bol zverejnený aj pre širokú verejnosť.

Treba vsak podotknúť,že iba 1.5. 2000 bola zrušená selective availability (SA), ktorá fungovala od začiatku ’90 rokov.

Selective availability (SA) bola metóda, aby sa zmenšila presnosť v civilných aplikáciách.

Po zrušení selective availability (SA) , de facto sa začala nová doba pre civilnú navigáciu.

24 satelitov krúži okolo našej zemegule, z ktorých 20 az 21 funguje nepretržite.

4 z nich sú stále viditeľné z každej stanice na Zemy. Ich poloha môže byť ľahko vyjadrená ako vektor r(x,y,z) a informácie o rýchlosti s (dx/dt, dy/dt, dz/dt) sú dostupné pre každého.

Satelity krúžia na 6 rôznych orbitálnych hladinách, ktoré majú elipsový tvar a periódu 12 hodín, výšku 20.000km a uhol 120° medzi nimi. Uhol s rovníkom je 55°.

Tieto orbity majú konfiguráciu, aby pretinajúce sa satelity mali vždy uhol 40° medzi nimi a keďže poznáme známu a zaroveň zadefinovanú konfiguráciu je možné vypočítať, že budú vždy k dispozícii aspoň 4 satelity pre každú možnú základňu na Zemi medzi uholom 15 az 75° pre vodorovnú aj pre zvyslú zložku.

Priemerná doba životnosti každej družice je 6 rokov a sú plány na zvýšenie na 7.5 až 8 v blízkej budúcnosti.

Družice používajú slnečné články ako zdroj elektriny pre ich aparatúry.Môžu aj zmeniť ich polohu v prípade potreby vďaka ich motoru.Zabudované sú aj 4 “high precision chronometers”GPS systém má tri rôzne časti:Družice, kontrolné stanice na Zemi a používatelia:

OBR.1

Môžu sa spraviť tri tipy merania pomocou GPS: pseudo-dosahy, fázové merania a dopplerovské merania.Všeobecne, na zistenie polohy vektora na pozemskej stanici použitím GPS existujú dve metódy: statická a kinematická.

• V prvej metóde priímač v základni je fixný, a meranie trvá niekoľko minút až niekoľko hodín, a analýza dát sa robí potom, používajú sa nejaké korekčné faktory.

• V druhom prípade prijímač môže byť zabudovaný v aute, na lodi alebo v lietadle a merania a výpočty sa môžu konať potom ako sa udalosť skončila alebo súčasne s pozorovaním.

• V našom prípade budeme uvažovat dinamické výpočty, pretože nás zaujíma aplikácia GPS navigácie v aute.

GPS výpočty• Príklad: povedzme, že presne o polnoci družica

začne vysielať veľmi dlhý signál, volá sa to pseudo-random code.

• Prijímač začne priímať a spracovávať tento signál tiež presne o polnoci.

• Lenže pokiaľ ten signál skutočne príde k prijímaču, tak sa naskytne meškanie, počas tohto vysielania, a len nasledovne sa to začne spracovávať.

• Veľkosť tohto meškania je umerná času vysielania tohto signálu. Náš prijímač vynásobí tento čas za “C” a zistí z akej diaľky to došlo. A keď uvažujeme, že to preletelo po priamej čiare, tak máme vzdialenosť od vysielača!

• Aby sa dokázalo tieto výpočty aj konkrétne uskutočniť, treba aby vysielač a prijímač boli presne sinchronizovaný, a to v úrovni nanosekúnd.

• To znamená, že by bolo treba nainsňštalovať “atomic clocks” nie len na satelite, ale aj na prijímači!

• Lenže takéto veci stoja rádovo $50,000 a $100,000, to sú ceny neprípustné pre bežné použitie… [nedajú sa kúpiť v AGEME!!!]

• Ale GPS má veľmi múdre riešenie k veci:• Každá družica má v sebe “atomic clock”, ale náš

prijímač má lacný quartz clock, ktorý sa stále nuluje.• Povedané veľmi jednoducho: prijímač zaregistruje signál

zo 4 alebo viac zdrojov a vykompenzuje vlastnú chybu tým, že dostáva iba jeden "current time" ktorý bude rovnaký pre všetky družice a ktorý bude používať ako správny. Ako sme povedali, stačili by tri družice aby sme mali správnu polohu, ale tá štvrtá nám priraďuje presnú polohu v priestore a dodáva správny časový signál.Takto prijímač nastavuje vlastné hodiny a získa ten istý čas ktorý majú atómové hodiny a tú istú presnosť, keďže sa automaticky koriguje každú sekundu. Získali sme teda atomickú presnosť, skoro zadarmo!

• Takto keď dostávame signál zo 4 družíc, kreslia sa 4 gule, ktoré sa stretávajú presne v jednom bode.

• Získali by sme jeden bod i keby sme registrovali tri družice a štvrtú guľu uvažovali Zem, ale so 4 máme istotu, že ak by sme zle merali, zistili by sme to na isto!

• Tým, že sa naše hodiny stále synchronizujú tak dostávame presnosť, ktorú majú družice a zabezpečíme aj to, že budeme mať rovnakú chybu z hociakej družice, lebo výpočet sa koná v prijímači, takže každé meranie bude mať všade rovnakú nepresnosť!

• Aby sa získané údaje dali aj nejako používať, tak by sme mali vedieť, kde sa nachádzajú tie dané družice, a to je možné celkom ľahko pretože ony krúžia po celkom stabilných orbitách a dajú sa aj ľahko predpovedať.

• Náš prijímač teda obsahuje taký “almanac” od ktorého vie, kde by sa mala nachádzať daná družica v tom danom okamihu a z toho potom vypočítať relatívnu polohu.

• Gravitačná sila zo slnka a z mesiaca mení tieto orbity, preto “Department of Defense” stále sleduje pomocou zemských základní presnú polohu tých družíc a vysiela korekcie najprv družici a zároveň aj každému prijímaču, ako časť balíku.

Diferenciálny GPS• Zatiaľ sme zistili ako sa informácie dostávajú do prijímača.• Tento systém funguje veľmi dobre, ale treba rátať aj s inými

chybami, lebo tento systém počíta s tým, že signál prejde hladko cez atmosféru s konštantnou rýchlosťou.

• Veľmi dobre vieme, že toto je nemožné!• Naša Zem spomaľuje elektromagnetické vlnenie hlavne keď

prejde cez ionosféru a troposféru a to v každom mieste rozdielne.

• Problémy sa naskytnú aj v mestách kde vlny narážajú na veľké objekty ako sú mrakodrapy, a odrážajú sa nepredpovedateľne.

• Znamená to, že oneskorenie signálu ktorý je vysielaný družiciam sa môže veľmi meniť, a teda nie je dobrým zdrojom informácii.

• To znamená, že niekedy náš ALMANAC nie je spoľahlivý!

• Differential GPS (DGPS) nám pomáha korigovať tieto chyby!

• Základná myšlienka je korigovať už na Zemi tieto signály a to sa robí na niektorých kontrolných základniach.

• DGPS v základni už pozná vlastnú polohu a zároveň vie vypočítať chybu.Základňa potom vysiela túto korekciu a všetky DGSP prijímače ktoré sa nachádzajú v dosahu dostanú túto informáciu.

• Pomocou tejto korekcie sa ich presnosť veľmi zlepší!• Základná práca prijímača je teda skombinovať

informácie zo 4 družíc a porovnať ich s ALMANAC-om aby sme získali našu polohu na Zemi, a to v podobe: latitúda, longitúda a výška.

• Aby sa tieto dáta dali aj konkrétne využiť, vidíme tieto informácie zobrazené na mape, ktorá sa uskladní v pamäti.

Ďalšie informácie ktoré môžeme získať:• Prejdenú vzdialenosť (odometer)

• Ako dlho sme cestovali• Našu rýchlosť • Našu priemernú rýchlosť • Akú cestu sme absolvovali • Očakávaný čas cestovania, pomocou aktuálnej

rýchlosti.

Tom Tom GO 700Príklad komerčného zariadenia GPS.

A teraz, ako sa robia mapy!

Mapa pokrytia spoločnosti Tele Atlas:64 krajín, 21.3 mln km, z ktorých 8 su Európske cesty!

Zhromažďovanie dát• Niekedy sa to robilo ručne: ľudia chodievali a

mapovali!• Potom sa začali používať letecké fotky• Teraz sú cenovo dostupné aj družicové zábery • Netreba zabúdať aj na katastrálne alebo vojenské

mapy!• Ešte k tomu sú aj geografické spoločnosti ktoré

predávajú tieto mapy!• Keď sú už tieto dáta analizované urobí sa draft

mapy, ide sa s “compile&drive” [viď obrázok!]

• Spoločnosť Tele Atlas má 200 týchto “MAP VAN” a dokáže odmerať cca 3,2 mil km ročne!

• Ešte k tomu má dohody s Nemeckou Poštou a v Taliansku s ENEL aby sa dozvedela, rýchlo a lacno, o všetkých zmenách v cestnej premávke a mohla robiť update mapy!

• Potom ako sa tieto dáta zhromaždia, urobí sa draft ciest, teda sa spraví fyzický model ciest, nakreslí sa čisto cesta po ktorej sa túlal náš MAP VAN!

• Potom ho treba doplniť všetkými užitočnými informáciami, ako napríklad meno cesty, čo sa tam nachádza, smer jazdy alebo čísla bytoviek!

• Aby sa mapa dala aj použiť na navigáciu, treba priradiť ku každej ceste pokyny k jazde, napríklad aký smer dodržiavať, kde odbočiť, po prípade znížiť rýchlosť ak sa veľmi ponáhľame!

• Všetky zhromaždené dáta sa pošlú do Indie, kde na tom pracuje viac ako 800 ľudí!

Mapping Van & Mobile MappingZákladná výbava takéhoto VANu je:• 6 kamier• Veľká GPS anténa na streche• D-GPS prijímač• 2 PC• 2 x 250GB ext. HDD na storage dat.Inak je to úplne normálny van, sú tam postele, WC a

kuchyňa, lebo tieto VAN-y pretrvávajú aj niekoľko týždňov ON THE ROAD!

• Každý deň sa mapuje 600km hlavných ciest• 300km ak su nejake menšie komunikácie• Jeden hard disk stačí na 5-7 dní, keď je už plný

posle sa do centrály, ďalší je ako backup a zostáva ON BOARD

• Kamery majú citlivosť na 360°• Aby poloha VAN-u bola určená citlivejšie

používajú sa ODOMETERE a precízne gyroskopy• Zrejme aj GPS anténa ktorá je typu Differencial.• Použitím D-GPS sa maximálna chyba zníži na 0.5m

namiesto 10m normálneho prijímača!• Vodič jazdí na normálnom GPS!