Ugrás a tartalomhoz

Geodéziai hálózatok 4., A GNSS alapjai

Dr. Busics György (2010)

Nyugat-magyarországi Egyetem

4.4 A NAVSTAR GPS részei

4.4 A NAVSTAR GPS részei

Az amerikai NAVSTAR GPS a Navigation System with Timing and Ranging kifejezés rövidítése, magyarul navigációs műholdas idő- és távolság-meghatározást jelent. A NAVSTAR GPS, mint GNSS alaprendszer két alrendszerből áll:

  • a GPS műholdak alrendszere (űrszegmens, műholdas alrendszer);

  • a földi követőhálózatok alrendszere (vezérlő alrendszer).

4.4.1 A GPS műholdak alrendszere

A műholdak darabszámát és pályáját az az elvárás szabta meg, hogy a Föld bármely pontjáról, bármely időpontban legalább négy darab hold legyen látható 15°-nál nagyobb magassági szög fölött, hogy az abszolút helymeghatározás megoldható legyen. A műholdak pályáját közel kör alakúra tervezték, amelyen a holdak zenitirányban átlagosan 20200 km-es, horizontirányban 25800 km-es magasságban keringenek a Föld felszínétől. Ez a viszonylag nagy pályamagasság a TRANSIT holdakhoz képest nyugodtabb, egyenletesebb pályát eredményez.

Az elgondolások, tervek a műholdpályák inklinációjára, a műholdak darabszámára és elrendezésére (konstellációjára) vonatkozóan többször változtak. Először például úgy gondolták, hogy három darab 63°-os hajlásszögű pályán keringő összesen 24 hold megfelel az elvárásoknak. Aztán hat pályára, pályánként 3 (összesen 18) holdra változtatták a terveket. A megvalósult állapot, a jelenlegi helyzet végül is a következő: az Egyenlítő síkjával 55°-ot bezáró hat pályán pályánként legalább négy műhold kering. A keringési idő 4 perc híján 12 óra. Az egyes pályasíkok felszálló csomóinak rektaszcenzió-különbsége 6o°; a pályák azonosítására az A, B, C, D, E, F betűket használják, azon belül pedig sorszámozzák a holdakat. Az éppen üzemelő műholdak darabszámát, jellemzőit navigációs üzenetként megkapjuk, illetve az a vevőben tárolódik, de ezeket az információkat az Internetről letölthető ún. almanach fájl is tartalmazza. Ma jellemzően 24-nél több, 29-32 műhold van pályán. A műholdas rendszer kiépítése természetesen időbe tellett a költségek miatt.

A mi földrajzi helyünkön egy-egy mesterséges hold naponta egyszer vagy kétszer kel és nyugszik és körülbelül öt-hat óra hosszan tartózkodik az álláspont 15°-os látókúpjában. A holdkelte és a holdnyugta időpontja naponta négy percet tolódik előbbre. 15 fokos magassági szög fölött 5-8 db (átlagosan 6) mesterséges hold észlelhető, 10 fokos szög fölött 6-10 darab (átlagosan 7).

A GPS mesterséges holdak a fellövésük időpontja és kialakításuk, fejlettségük alapján a 4-1. táblázatban szereplő típusokba sorolhatók. A műholdak fejlesztése folyamatos; a fejlődés a fedélzeti óra pontosságának növekedésében, az élettartam meghosszabbodásában, a kommunikáció irányainak bővülésében (műholdak egymás közti kapcsolatában, műhold-műhold közötti távmérésekben) és a jövőben új frekvenciák és kódok belépésében jelentkezik.

A GPS műholdas alrendszerének története jól mutatja, hogy az igényeknek és technikai fejlettségnek megfelelően az egyes műholdak kiépítettsége folyamatosan változott és a jövőben is jelentős fejlődés előtt áll.

4-1. A GPS holdak öt típusa. táblázat -

Block I

Block II

Block IIA

Block IIR(-M)

Block IIF

Fellövés időtartama

1978-1985

1989-1990

1990- 1997

1997- 2007

2008-2015

Hordozórakéta

Rockwell Int.

Rockwell Int.

Lockheed M

Lockheed M

Műholdak száma

11

9

19

21 (12: 2006)

33

Tervezett élettartam

4,5 év

7,3 év

7,5 év

10 év

12 év

Tömeg

845 kg

1660 kg

1816 kg

2032 kg

Atomóra típus

cesium

2 cézium + 2 rubídium

2 cézium + 2 rubídium

3 rubídium (hot backup)

hidrogén mézer

Jelek száma

2

2

2

3

4

Pontosság (SPP)

50 m

100 m

100 m

22 m

6 m

Újdonság

teszt

Selective Availability

autonóm navigáció

M kód, L2c frekvencia

L5 frekvencia


A GPS műholdaknak öt típusát különböztetjük meg. Az első Block I. típusú műholdat 1978. február 22-én lőtték fel. Csak 1989-ben, a Block II. típusú holdakkal kezdődött el az operatív szakasz. 1993. végére sikerült mind a 24 tervezett műholdat pályára juttatni, ekkor érték el az alap-kiépítést (Initial Operation Capability – IOC). A GPS-rendszert csak 1995-ben nyilvánították hivatalosan teljesen kiépítetté (Full Operation Capability – FOC), amikor 24 db Block IIA típusú hold volt pályán. Minden Block I. – Block IIA típusú GPS műhold ugyanazt a két vivőfrekvenciát állítja elő: az L1 jelűt (f1=1575,42 MHz, λ1=19,03 cm) és az L2 jelűt (f2=1227,60 MHz, λ2=24,42 cm).

Az L1 jelet a C/A kóddal és a P kóddal, az L2 jelet csak a P kóddal modulálják a futási idő (kódtávolság) meghatározása érdekében. Csak a C/A kód szabad hozzáférésű, a P kód valós időben katonai célokra szolgál. A GPS-rendszerben (a Block IIA típusú holdakig bezárólag) háromféle típusú kód lehetséges: L1 vivőjelen C/A és P kódmérés (L1 C/A és L1P, röviden C1 és P1), L2 vivőjelen P kódmérés, röviden LP2, valamint mindkét frekvencián vivőfázis mérés (L1 és L2 fázismérés). Ez a helyzet lényegesen megváltozik majd, ha megvalósul a GPS alaprendszer ún. modernizációja.

A GPS-modernizáció a következő változásokat jelenti:

A C/A kódot az L2 vivőfrekvencián is alkalmazni fogják, ennek jele: L2C. Ezáltal a polgári felhasználók számára egyszerűbben kiküszöbölhető lesz az ionoszféra hatása, a vevők kevésbé lesznek érzékenyek az interferenciára. 24 darab L2C típusú műhold jelenléte (IOC) 2012 körül várható.

Új kódot vezetnek be az L1 és L2 frekvencián tisztán katonai célokra, ez az ún. M (military) kód. Az L2C-vel és M kóddal felszerelt első Block IIR-M (replenishment-modernized–R-M) típusú holdat 2005 szeptemberében lőtték fel.

Az L1 és L2 frekvenciák mellett egy új, harmadik vivőjelet (frekvenciát) vezetnek be polgári célra, amelynek jele: L5. Erre a Block IIF (follow on–F) jelű új típusú GPS-holdak lesznek képesek. Az új típusú holdak teljes kiépítése 2015 után várható.

Megkezdődött a 2020 utáni modernizáció tervezési szakasza is. Ennek a modernizációs szakasznak a neve Block III., ami új típusú GPS holdakra utal és valószínűleg egy negyedik civil vivőjel bevezetésével jár.

A műholdak legfontosabb szerkezeti elemei: frekvenciaetalon, oszcillátor, fedélzeti számítógép, adó-vevő rádiócsatornák, napelemek, fúvókák. A műholdak lelke egy-egy nagypontosságú atomóra, amely az oszcillátor f0=10,23 MHz-es alapfrekvenciáját vezérli. Az alapfrekvencia 154-szeres szorzata az L1, míg 120-szoros szorzata az L2 vivőfrekvencia. További két frekvencia (L3, L4 jelű) használatos a műhold és a vezérlőállomások közötti kommunikációra.

4.4.2 A földi követőállomások alrendszere

A GPS vezérlő alrendszer üzemeltetését, fenntartását az amerikai légierő (US Air Force – USAF) látja el. A GPS földi követőállomásait kezdetben az Egyenlítő közelében, óceáni szigeteken lévő amerikai katonai támaszpontokon (ismert pontokon) telepítették (Hawaii, Kwajalein, Diego Garcia, Ascension). A GPS-korszak kezdetén négy követőállomás volt továbbá egy vezérlőközpont (Master Control Station – MCS). A vezérlő központot Colorado Springs-től 10 mérföldre keletre, egy légibázison építették ki az 1980-as években (neve eredetileg Falcon Air Force Station volt, később az alapítóról Schriever Air Force Base-re változott). A követőállomások számát bővítették, ezek az állomások valósítják meg a gyakorlatban a WGS84 vonatkoztatási rendszert (4-4. ábra). Jelenleg a vezérlőközpont helyettesítésére (meghibásodás esetén kiváltására) Washington közelében ideiglenes vezérlő központot is működtetnek, de ezt a funkciót később a Vandenberg légibázison épülő alternatív vezérlőközpont fogja átvenni.

Minden követőállomáson GPS vevő, a vezérlő központtal összeköttetést tartó adattovábbító rendszer és nagypontosságú cézium atomóra van. A monitorállomások adatait (műhold-vevő távolságokat, meteorológiai és ionoszféra-adatokat) a vezérlő központ gyűjti össze. A központ feladata: a műholdak pályaszámítása, a műhold óraállások meghatározása, a globális ionoszférikus modell paramétereinek meghatározása.

Feldolgozás után a központ az aktuális pálya- és óraadatokat három olyan injektáló vezérlő állomásra (Kwajalein, Diego Garcia, Ascension) továbbítja, ahonnan egy földi antenna segítségével lehetőség van az adatok fellövésére a GPS műholdakra (ground control station). Amennyiben a földi vezérlő állomások bármely okból nem látnák el adatokkal a műholdakat, azok extrapolált, tárolt adatokat továbbítanak a vevők felé. A BlockII típusú holdak képesek akár fél évig is autonóm módon üzemelni anélkül, hogy Földről továbbított pályaadatokra lenne szükségük.

A vezérlő alrendszer nemcsak pozitív, „javító” szerepet töltött be, hanem manipuláló, „rontó” szerepe is volt (van). Ennek magyarázata a következő. Eredetileg úgy gondolták, hogy 400 méter körüli lesz a kódméréses abszolút helymeghatározás pontossága, de a tesztek során kiderült, hogy ez inkább 20 méter, tehát a rendszer „túl jó”-nak bizonyult. Ezért a rendszer mesterséges torzítását, degradálását határozták el. A Block II. típusú holdaknál 1990 áprilisától alkalmazták az ún. szelektív hozzáférést (Selective Availability=SA), ami magyarán szólva a mesterséges holdak pályaadatainak és fedélzeti órájának szándékos elrontását jelentette, hogy ne lehessen azonnali, a technikailag lehetséges pontosságú helymeghatározást végezni. Ennek következtében a polgári felhasználók helyzetüket a 95 %-os valószínűségi szinten vízszintes értelemben 100 méteres, magassági értelemben 156 méteres hibával tudták csak meghatározni.

4-12. ábra. Az SA kikapcsolásának hatása az abszolút helymeghatározás pontosságára

Az USA elnöke 2000. május 1-jén bejelentette a szelektív hozzáférés megszüntetését. Az SA-t greenwich-i idő szerint 2000. május 2-án 4 óra 05 perckor kikapcsolták. Azóta az abszolút helymeghatározás pontossága 10 méter körülire (kedvező esetben ennél is jobbra) becsülhető. Hivatalos közlés szerint 95 %-os valószínűségi szinten vízszintes értelemben 10 méter, magasságilag 16 méter a pontosság. A tényleges mérések (különösen hétnél több hold esetén) ennél kedvezőbb képet mutatnak.

1994 februárjától létezik egy Y-nal jelölt kód, katonai célú felhasználásra. Bevezetésének hivatalos célja a rendszerbe történő illetéktelen beavatkozás (például hamis kód vagy üzenet sugárzásának) kiküszöbölése volt (Anti Spoofing=A-S). Gyakorlati szempontból az A-S rövidítésű korlátozás a P kód felváltását jelenti egy olyan kóddal, amelyet a polgári célra gyártott vevők nem ismernek, csak a DoD által engedélyezett katonai felhasználók. A titkosított Y kód a P kód és egy általunk ismeretlen W kód összegzésével áll elő. Ezzel a P kód a polgári felhasználók számára gyakorlatilag megszűnt.

4.4.3 Felhasználók és GPS/GNSS vevők

A GNSS rendszer szolgáltatásait csak megfelelő vevőberendezés és szoftver birtokában lehet kihasználni. Több száz gyártó cég sok száz vevő-típusát és ezek számtalan alváltozatát lehet megtalálni kereskedelmi forgalomban. A felhasználó igénye, célja, tehetőssége szabja meg, milyen GNSS vevőt szerez be. A műszerek méretében, árában, szolgáltatásaiban, fejlettségében lényeges változások, fejlesztések történtek az 1980-as évek vége óta, amikor forgalomba kerültek az első típusok.

Általánosan a következő részekből áll egy vevőberendezés:

  • antenna;

  • vezérlő- és kijelző egység;

  • tárolóegység;

  • jelkövető és jelfeldolgozó egység;

  • mikroprocesszor;

  • tápegység.

A GPS vevőberendezés feladata a "látható" (horizont feletti) műholdak kiválasztása, felismerése; a műholdakról érkező jelek vétele; a jelek feldolgozása abból a célból, hogy megkapjuk a GPS mérési eredményeket (ezek a műhold és a vevő távolságával, valamint a műhold órahibájával összefüggő adatok) és a navigációs adatokat (ezek a műholdak pályaadatai és a terjedési hibák számítását lehetővé tévő adatok). Maga a jelvétel és jelfeldolgozás automatizált folyamat. A felhasználói alrendszer szerves része a vevőberendezéshez tartozó, valamint az esetleges utófeldolgozást biztosító szoftver. Felhasználói szempontból a vevőberendezéseket a navigációs vevők, a térinformatikai vevők és a geodéziai vevők csoportjába sorolhatjuk.

A navigációs célú vevők zsebszámológép méretűek, elsősorban abszolút helymeghatározásra és navigációra használatosak. Az elérhető pontosság kikapcsolt SA esetén 10 méter körülire tehető. A navigációs vevők sokféle szolgáltatása, funkciója közül két lényegeset érdemes kiemelni. Az egyik a magányos pontok, illetve az egymást követő, vonalba szervezett pontok, útvonalak (track) helyzetének rögzítése (track log), ami a geodéziában a felmérésnek felel meg. A másik funkció az előre megadott (például térképről levett) útpontokra, illetve útvonalakra (routes), mint célpontokra (waypoints) való navigálás, vagyis e pontok felkeresése a valóságban (a geodéziában ez a kitűzésnek felel meg). A navigációs vevők beépített térképi szolgáltatásai (vagy a felhasználó által csatolható térképek) hasznosak lehetnek a környezethez viszonyított tájékozódás szempontjából. A maroknyi kézi számítógépek (PDA: Personal Data Assistant, PNA: Personal Navigation Assistant) kijelzője nagyobb méretű, így a térképek kezelése, szemlélése kényelmesebb, mint egy néhány soros kijelzőn. A kézi marok-számítógépekbe tölthető szoftverek egyre fejlettebbek.

A térinformatikai célú adatgyűjtést szolgáló vevők pontossága méteres nagyságrendű, de lehetséges szubméteres pontosság is. Ezt valós időben valamilyen korrekciós szolgáltatás igénybevételével érik el, vagy valamely bázisállomással együtt történő utófeldolgozással. A gyalogos adatgyűjtéshez egy adatgyűjtő (vezérlő) egységet tartanak a kézben, az antenna tartórúdra van erősítve vagy inkább hátizsákban helyezik el, esetleg gépkocsin történő szállításhoz tetőre rögzítik.

A geodéziai vevőkkel cm-es pontosságú relatív pontmeghatározást végzünk, fázismérésre alapozva (lásd később). Legalább kettő vevőt (két vevő adatát) használunk egyidejűleg. Tájékoztatásul jegyezzük meg, hogy a kereskedelmi forgalomban levő geodéziai vevőberendezések mindegyikével elérhető az 5 mm + 5 ppm pontosság a relatív statikus helymeghatározásban.

A GPS vevők általános jellemzése a következő paraméterek szerint történhet:

  • pontosság (abszolút és relatív módban);

  • csatornaszám (vagyis hány műhold jeleit veszi egyidejűleg);

  • frekvencia (egy-, két- vagy több frekvenciás vevő);

  • kód (egykódú: C/A, többkódú);

  • memóriakapacitás (belső memória nagysága vagy hiánya);

  • alkalmas-e fázismérésre?

  • alkalmas-e kód-korrekciók (DGPS) fogadására?

  • alkalmas-e fázis-korrekciók (RTK) fogadására?

  • alkalmas-e hálózatos RTK mérésre?

4-13. ábra. Geodéziai GPS vevők statikus mérés közben