Satelliittimittauksen ajankohtaisia näkymiä ja monisatelliittivastaanottimia

Transkriptio

1 Satelliittimittauksen ajankohtaisia näkymiä ja monisatelliittivastaanottimia

2 Navdata Oy perustettu 1988, 9 vuotta GPS+GLONASS teknologiaa päätoimialana satellittipaikannusteknologiaan liittyvät t ammattipalvelut myymme, vuokraamme ja korjaamme satelliittipaikannuslaitteita seks ekä konsultoi ja kehittää ohjelmistoja satelliittipaikannus teknologian hyödynt dyntämiseksi Osa vuonna 1989 toimittamistamme GPS laitteista (Ashtech MD 12) ovat vieläkin aktiivikäyt ytössä,, mikä todistaa pitkäaikaista sitoutumistamme asiakkaan tarpeisiin laitteiden ylläpidon ja korjauksen osalta Ymmärrämme pelkän n GPS teknologian rajoitukset ja siksi tarjoamme monisatelliittijärjestelm rjestelmävastaanottimia (GPS+GLONASS+SBAS) sekä yhdistämme GPS laitteita ulkopuolisiin antureihin reaaliajassa. Tällaisia T itsekalibroituvia antureita ovat mm. Inertia ja kulmakiihtyvyysanturit sekä flux gate kompassit. Päämiehinämme mme toimivat Javad Navigation Systems Inc., Thales Navigation (OEM), CSI Wireless Inc ja Applanix corporation.

3 Venäjän Glonass järjestelmä on usein väärin ymmärretty. Glonass satelliitteja ei käytetä erillisenä, vaan ne lisätään GPS satelliittien sekaan samaan laskentakaavaan vastaanottimen sisällä. Näin käytettävissä olevien satelliittien lukumäärä kasvaa n. 50%. Satelliittijärjestelmien koordinaatisto ja aika ovat eri, mutta koordinaattijärjestelmien muunnos on tunnettu ja aikaero voidaan ratkaista käyttämällä yhtä satelliittia tähän tarkoitukseen. Venäjä on myös pysynyt lupauksessaan viimeiset kolme vuotta ja laukaissut radalle kolme uutta satelliittia joka joulukuun viimeisellä viikolla. Lisäsatelliittien tarve on ymmärretty myös Euroopan Unionin taholta, joka on päättänyt rakentaa Galileo nimisen satelliittipaikannusjärjestelmän, joka lienee valmis vuosien tienoilla. Kun Eu on saanut järjestelmänsä valmiiksi, voimme tarjota teille GPS+Glonass+Galileo vastaanottimia, mutta sitä odotellessa voimme tarjota teille heti 2/3 järjestelmän suorituskyvystä (GPS+Glonass vastaanottimia). Nykyiset 14 Glonass satelliittia lisättynä 28:aan GPS satellittiin antavat kokonaisuutena 42 käytössä olevaa satelliittia. Venäjän suunnitelmissa on lisätä satelliittiensa lukumäärän 18:sta vuoteeen 2006 mennessä. Meillä on kahdenlaisia asiakkaita, niitä jotka käyttävät GPS+GLO vastaanottimia ja eivät koskaan palaa pelkkään GPS laitteeseen. Lisäksi meillä on asiakkaita, jotka eivät suostu kokeilemaan GPS+GLO vastaanottimia. Kumpaa tyyppiä sinä olet? Hyviä GPS+Glonass yhdistelmiä ovat: Javad GGD ja GG tuoteperhe

4 GPS kompassiin tarvitaan minimissään kaksi GPS antennia, jotka on suunnattu mitattavan laivan tai ajoneuvon rungon mukaisesti. Lisäksi tarvitaan kaksi GPS moottoria, jotka laskevat RTK ratkaisua näiden kahden antennin väliin. Molemmat GPS moottorit on yleensä integroitu samaan koteloon ja siihen on lisäksi saatettu lisätä joitakin itse kalibroituvia antureita, joiden tarkoitus on tukea suunta/paikkaratkaisua niiden hetkien aikana, jolloin GPS satelliitteja ei ole näkyissä. Kyseiset anturit on kuitenkin tarkoitettu vain lyhytaikaiseen käyttöön 60 sekunnista kymmeniin minuutteihin riippuen käytetyn lisäanturin laadusta (=hinnasta). Hyviä vastaanottimia DGPS(RTK) plus suunta käyttöön ovat: CSI Wireless Vector Sensor (DGPS +GPS Compass+Gyro+flux gate) Javad JNSGyro 2 (RTK or DGPS and GPS compass) Javad JNS IMU (additional sensor for JNSGyro 2)

5 Ammattikäyttöön tarkoitetun DGPS järjestelmän rakentamisessa tarvitaan koodin + kantoaallon vaihekulman havaitseva vastaanotin. Kantoaallon vaihekulman seuraamisella voidaan "suodattaa/tasoittaa" koodin antamaa valeetäisyyshavaintoa ja näin parantaa paikannuksen tarkkuutta. Hyvälaatuisen GPS vastaanottimen lisäksi tarvitaan antenni, jossa on pieni vaihekeskipisteen hajonta sekä hyvät signaalin heijastumista estävät ominaisuudet. Hyvin valitulla vastaanottimen ja antennin kokonaisuudella on mahdollista päässä alle metrin paikannustarkkuuteen käyttäen yleisesti käytössä olevia korjauslähteitä kuten Merenkulkulaitoksen DGPS korjauksia. Kaksitaajuusvastaanottimia käytetään geodeettisiin mittaustöihin, RTK mittauksiin ja muihin käyttökohteisiin, missä tarvitaan senttimetriluokan paikannustarkkuutta (mm. koneenohjaus). Toista taajuutta käytetään laskemaan ionosfäärin aiheuttamat virheet signaalin kulkuun ja näin paikannuslaskusta saadaan erittäin tarkka (geodesia) tai tarkka+mahdollinen (RTK). Hyviä vastaanottimia RTK mittauksiin ovat: Ashtech ZX Sensor Javad GD and GGD product family Hyviä vastaanotin / antenni yhdistelmiä ovat: CSI Wireless SX 2 and CDA RTK antenna Javad JNS100 and MarAnt L1 Ashtech DG 14 and Marine IV antenna

6 Sovelluksissa, joissa seurataan kolmiulotteista liikkuvaa esinettä, kuten laivaa tai lentokonetta, on usein tarpeellista mitata laivan GPS antennin paikka ja laivan asento suhteessa johonkin muuhun laivassa olevaan anturiin (monikeilain, ilmakuvakamera). Paikkatiedon siirtämiseen GPS antennista laivan toiseen anturiin tarvitaan antennin koordinaatin lisäksi laivan asento (rol, pitch, yaw), jolloin anturin paikka kolmiulotteissa avaruudessa voidaan laskea ja siirtää sitä tarvitsevaan sovellukseen (esim. merenmittaus). Muita käyttökohteita ovat ilmakuvaus sekä laivan navigointijärjestelmien kalibrointi. hyviä laitekokonaisuuksia DGPS(RTK), asento ja suuntamittauksiin ovat: Javad JNSGyro 4 (RTK or DGPS and full GPS attitude) Javad JNS IMU (additional sensor for JNSGyro 4) Applanix POS/MV (tightly coupled IMU and GPS sensors, Marine) Applanix POS/AV (tightly coupled IMU and GPS, Photogrammetry) Applanix POS/LV (tightly coupled IMU and GPS, land vehicle)

7 GPS: nykytilanne ja tulevaisuus

8 GPS konstellaatio 29 (24) operatiivista satelliittia (2006) 6 kiertorataa 55 asteen kulmassa kiertoaika 11 h 58 min 20,200 kilometriä korkealla Kehitetty ja ylläpidetään Yhdysvaltojen Puolustus ministeriön (US DoD) toimesta Tarjoaa maailmanlaajuisen 3 D paikannuksen 24 h vuorokaudessa

9 Nykytilanne 29 operatiivista satelliittia ( ) SA poistettu peruspaikannustarkkuus alle 20 m satelliitit BLOCK II/IIA/IIR BLOCK II (SVN 13 21) (3) BLOCK IIA (SVN 22 40) (16) BLOCK IIR (SVN 41 62) 1997 (9) viimeisin laukaisu Seuraava 05/2006 neljä (IIR 3) atomikelloa laskennallinen elinikä noin 8 vuotta C/A koodi L1, Y(P) koodi L2

10 GPS:n uudistaminen Tavoitteena palvelun parantaminen siviili ja kaupallisen käytön tarpeisiin,, 1997 IGEB (Interagency GPS Executive Board) C/A koodi L1 ( MHz) vapaa SPS P(Y) koodi L2 ( MHz) rajattu PPS, 1998 C/A koodi L2, 2003 (2004) >, IOC 2009(?), 18 lähettävää satelliittia Uusi taajuus L5 ( MHz) siviilikäyttöön,, 2005 (2006) >, IOC 2015(?), 18 lähettävää satelliittia BLOCK IIR satelliittien uudistaminen,, C/A koodi L2, M koodim Uudet BLOCK IIF satelliitit,, C/A koodi L2, L5, M koodim Uusi M koodi sotilastarkoituksiin Alueelliset käyttöestot Lähetystehon mahdollinen nostaminen Maa asemien asemien uudistaminen 2008 mennessä BLOCK III, 2006(????) >

11 Miksi uudistaa? Parempi tuki GPS:n siviilikäyttäjille Uusien siviilisignaalien avulla parannettu tarkkuus, toiminnallisuus ja palvelun jatkuvuus = parempi käytettävyys Maailmanlaajuinen hyöty = taloudelliset mahdollisuudet Optimoida GPS järjestelmää (PVT Positioning, Velocity and Timing) ja sitä täydentäviä järjestelmiä mahdollistaen kansalliset järjestelmäsovellukset Presidential Decision Directive Mar 96 Vice Presidential Announcements Mar 98 and Jan 99

12 Uudistuksien vaikutukset signaalin paraneminen,, SA pois parannettu paikannustarkkuus, ilmakehän vaikutus,, wide lane ratkaisut L1 L2, L2, L1 L5 L5 ja L2 L5 L5 parannettu signaalin saatavuus, pienempi SNR, parempi katveen ja häiriön sietokyky paranettu luotettavuus ja valvonta sekä palvelun jatkuvuus parannettu sietokyky radiohäiriöitä vastaan v Mutta EI LISÄÄ SATELLIITTIEN MÄÄRÄÄ. Katve on edelleen katve!

13 GLONASS: nykytilanne ja tulevaisuus

14 GLONASS konstellaatio 14 SVs (2005) 18 SVs (2006) 24 operatiivista satelliittia (2010) 3 kiertorataa 110 asteen kulmassa kiertoaika 11 h 15 min 19,100 kilometriä korkealla Kehitetty Neuvostoliiton ja ylläpidetään Venäjän Puolustusministeriön Tarjoaa maailmanlaajuisen 3 D paikannuksen 24 h vuorokaudessa

15 GLONASS 13 1/2006 (kaksi( uusinta vielä aktivoimatta) Laukaisusuunnitelma: : laukaistu kolme satelliittia,, 3 (+3) lisäsatelliittia 2006 Ensimmäiset tuotantosatelliitit, GLONASS M,, 1998 Eri satelliitit erotellaan taajuusmodulaation avulla (GPS koodimodulaatio) GLONASS M käyttää alempia taajuuksia

16 TOIMIVAT GLONASS SATELLIIT ITIT

17 Onko Glonass tullut jäädäkseen? Venäjä on myös s pysynyt lupauksessaan viimeiset kolme vuotta ja laukaissut radalle kolme uutta Glonass satelliittia joka joulukuun viimeisellä viikolla. Kilpailijat ovat mustamaalanneet Glonass järjestelmää, koska satelliittien määrä laski testivaiheen jälkeen neljään. Kilpailijat julkaisevat GPS+GLO vastaanottimia tämän vuoden aikana, joten heidänkin täytyy uskoa järjestelmän jatkuvuuteen. Glonass on ainoa todellinen lisäarvo nykyisiin satelliittivastaanottimiin ennen Galileo järjestelmän valmistumista ( ) 2012)

18 GPS+Glonass paikannus Glonass satelliittien käyttäminen ei huononna tarkkuutta Satelliittien määrän lisääminen mahdollistaa mittaamisen tukkoisemmissa maastokohteissa Tulevaisuudessa vastaanottimet seuraavat GPS+GLONASS+ Galileo signaaleja (GNSS 2 vastaanottimet) GPS ja Glonass satelliitteja käytetään yhtäaikaisesti vastaanottimessa paikkaratkaisun laskemiseen. Käytettävissä olevien satelliittien lukumää äärä kasvaa n. 50%.

19 Miksi kannattaisi harkita GPS+GLO vastaanotinta lisää toisistaan riippumattomia satelliitteja, 4 (x,y,z,dt) + 4 (GPS) + 4 (GLO) siksi mitattavuus (työteho) ja luotetaavuus lisääntyvät Riittämätön määrä GPS satelliitteja Suomen olosuhteisiin

20 GPS näkyvyys on esteiden rajoittama

21 Lisäämällä GLONASS näkyvyys lisääntyy

22 GPS + GLONASS satelliitteja 47 SVs (2006) Yksinkertaista yhteenlaskua

23 GPS näkyvyys Tampereella 24 h

24 GPS+GLONASS näkyvyys Tampereella 24 h

25 GPS ja GPS+GLO näkyvyys Tampere 15:00 16:00

26

27 GNSS: Monisatelliittijärjestelmä GPS on USA:n satelliittipaikannus järjestelmä GLONASS on Venäjän GPS WAAS/EGNOS/MSAT ovat geostationäärisiä satelliitti järjestelmiä (GEO) Nämä kolme muodostavat GNSS 1 järjestelmän Kun näihin lisätään GALILEO saadaan GNSS 2

28 GEOSTATIONÄÄRISET SATELLIITIT Vain yksi ratataso mahdollinen päiväntasaajan yläpuolella => Suomesta katsoen alhaalla Euroopan yläpuolelle 3 kpl Näkyvät koko ajan => 3 x GPS satelliitin näkyvyys Kaksoisrooli: : DGPS korjauslähde sekä paikannussatelliitti.

29 GEOSTATIONÄÄRISIÄ SATELLIITTEJA (Helsingistä nähtynä)

30 GALILEO

31 GALILEO konstellaatio 1 SVs (2006) operatiivista satelliittia (2010???) 3 kiertorataa 56 asteen kulmassa kiertoaika 14 h 22 min 23,616 kilometriä korkealla Kehitetään ja ylläpidetään EU:n toimesta Tarjoaa maailmanlaajuisen 3 D paikannuksen 24 h vuorokaudessa sekä paljon muita palveluja,, mm. televiestintä

32 GALILEO 1 1/2006 Laukaisusuunnitelma: : 1 lisäsatelliitti 2006 Ensimmäiset tuotantosatelliitit,, 2008 SIGNAALIRAKENNETTA EI OLE LYÖTY LUKKOON!

33 Galileo arkkitehturi 3 komponenttia: maailmanlaajuinen alueellinen paikallinen + käyttäjäsegmentti palvelukeskukset

34 Galileo signaali L kaistan taajuudet (HUOM! SIGNAALIRAKENNETTA EI VIELÄ PÄÄTETTY L1, MHz L2, MHz E5a E5b E6 L1 f E5 a = MHz f E5b = MHz f E6 = MHz f L1 = MHz Signaaliin moduloitu: satelliitin numero sijainti kiertoradalla kellonaika tieto satelliitin ja järjestelmän kunnosta C kaistan ( MHz) testaus

35 Galileo palvelut

36 GPS&GLONASS&Galileo yhteiskäyttö Nykyiset vastaanottimet Uudemmat vastaanotinmallit voidaan päivittää GPS&GLONASS&Galileo yhteensopiviksi Vanhemmat vastaanotinmallit eivät tule toimimaan yhteiskäytössä Erilaiset signaalirakenteet Galileon signaalirakennatta ei ole vielä lyöty lopullisesti lukkoon Eri referenssiellipsoidit WGS 84/ETRF 84/ETRF 8989 RAIM => lisää luotettavuutta

37 Mitä tapahtuu kun Galileo järjestelmä on operatiivinen (1) Noin kaikki kolme satelliittijärjestelmää ovat käytettävissä. Paikkaratkaisussa voidaan käyttää vain esim. 16 parasta satelliittia Yli 16 satelliittin käyttäminen paikkaratkaisussa ei tuo enää lisäarvoa ratkaisulle? CPU teho? Galileon odotusaika on vuotta. Paras ratkaisu tällä hetkellä GPS+GLONASS.

38 Mitä tapahtuu kun Galileo järjestelmä on operatiivinen (2) Nykysuuntauksesta voidaan päätellä, että kaikki merkittävät laitevalmistajat tulevat julkaisemaan GPS+GLO+Galileo vastaanottimen. Kanavien lukumäärä 72 jettuna 3 kertoo, että 24 satelliittia voidaan seurata samanaikaisesti. Laskentaan käytetään ehkä vähemmän.

39 MITTAA TÄSSÄ GNSS:llä

40

41

42 GPS+GLONASS VASTAANOTTIMIEN KEHITYS Navdata toi maahan ensimmäiset Ashtech GG 24 GPS+GLONASS L1 RTK vastaanottimet Ensimmäiset kaksitaajuiset Javad GPS+GLONASS RTK vastataanottimet Vastaanottimien optioiden päivittäminen avainkoodeilla. Integroidut vastaanottimet: antenni, akut, radio, GSM ym. integroitu samaan koteloon. Langaton tiedonsiirto. Ensimmäiset GPS+GLONASS+GALILEO vastaanottimet 2006.

43 Ashtech Inc GG24 RTK GPS+GLONASS L1 RTK

44 Javad Navigation Inc Javad Legacy GPS+GLONASS L1/L2 RTK

45 Kartoitusvastaanotin ja antenni samassa; 1999

46 Javad Navigation Inc Prego GPS+GLONASS L1/L2 RTK Integroitu WinCe tallennin Infrapuna tiedonsiirto USB Integroitu radiomodeemi Sisäinen akku Ladattavat optiot Type of signal (standard L1; optional L2) Memory (standard 0Mb; optional 1Mb up to 96Mb) Update rate standard 1Hz (optional 5, 10, or 20Hz) RTK at 1Hz, 5Hz, 10Hz, and 20Hz RTCM/CMR Input/Output Event marker Common tracking Advanced multipath reduction Wide area augmentation system (WAAS) Receiver autonomous integrity monitoring (RAIM) 1 PPS (Pulse Per Second; a timing signal)

47 Javad Navigation Inc Maxor GPS+GLONASS L1/L2 RTK Integroitu antenni (myös erillinen) USB, Bluetooth Integroitu radiomodeemi,, GSM Sisäinen akku Ladattavat optiot Type of signal (standard L1; optional L2) Memory (standard 0Mb; optional 4Mb up to 1024Mb) Update rate standard 1Hz (optional 5, 10, or 20Hz) RTK at 1Hz, 5Hz, 10Hz, and 20Hz RTCM/CMR Input/Output Event marker Common tracking Advanced multipath reduction Wide area augmentation system (WAAS) Receiver autonomous integrity monitoring (RAIM) 1 PPS (Pulse Per Second; a timing signal)

48 Javad Navigation Inc Lexon GPS+GLONASS L1/L2 RTK USB Ladattavat optiot Type of signal (standard L1; optional L2) Memory (standard 0Mb; optional 4Mb up to 1024Mb) Update rate standard 1Hz (optional 5, 10, or 20Hz) RTK at 1Hz, 5Hz, 10Hz, and 20Hz RTCM/CMR Input/Output Event marker Common tracking Advanced multipath reduction Wide area augmentation system (WAAS) Receiver autonomous integrity monitoring (RAIM) 1 PPS (Pulse Per Second; a timing signal)

49 Eskolantie HELSINKI Pasi Kråknäs pasi.kraknas@navdata.fi