RUAG satellitnavigering

(1)

RUAG Space

1

Satellitnavigering GU, Mars 2010

Satellit-navigering

Magnus Bonnedal

bidrag från Christer Berner

Rymdstyrelsen

GPS-tillämpningar

Navigering: Bil, båt, flyg,

handburen

Prospektering: vägar,

stadsplanering, byggen

Kartering

Vetenskapliga: Geodesi

kontinentalplattsförflyttning

Tidsmätning

Jordbruk: sådd, gödsling,

skörd

Flyg: automatiska

landningssystem

.. och mycket mera…

(2)

RUAG Space

3 GNSS - Global Navigation Satellite System

Existerande system:

• GPS (USA)

• GLONASS (Ryssland)

System under uppbyggnad:

• Galileo (EU)

•Compass (Kina)

Regionala system:

• QZSS (Japan)

• IRNSS (Indien)

Satellit för Europeiska systemet Galileo

RUAG Space

4 GPS Global Positioning System

The GPS constellation:

•Operational in 1986

•24 – 30 Space Vehicles

•6 Orbital planes

•Orbit radius 26 562 km

•12 h orbits

•CDMA signals

•Dual frequency encrypted

military precision signals

•Single frequency civil coarse

signals

(3)

RUAG Space

5 Positionering

Tid

T1

Position

P1

Tid

T2

Position

P2

Tid

T3

Position

P3

Tid

T4

Position

P4

GPS-systemet

GPS:

30 satelliter i 6 banplan

- Banhöjd 20 200 km

- Inklination 55º

(banplanets lutning mot ekvatorn)

(4)

RUAG Space

7 GPS + Galileo – ett supersystem

Galileo:

30 satelliter i 3 banplan

- Banhöjd 23 200 km

- Inklination 56º

- Omloppstid 12 h

● GALILEO

● GPS

RUAG Space

8 Navigeringsprincip

Satellite S ate llite Satellite

SV1

SV2

SV3

R1

R2

R3

Rx

• 30 satelliter

• Cirkulära banor, som

mäts noggrant från marken

• Precisionsklockor ombord

(stabilitet 1 s/1 000 000 år !)

• Varje SV sänder en unik kodad

signal, som ger avståndet till SV

•Varje SV sänder också ett meddelande

med dess banparametrar och

tids-korrektion

• Mottagaren jämför signalerna

(avstånden) och räknar ut position, tid

och hastighet.

(5)

RUAG Space

9 GPS positionsfel

Satellite Sa tellite Satellite

Tät stadsbebyggelse

Satellite Sa tell_ite

Nära bergssida

GPS positionsfel

Tät stadsmiljö

(5 tim)

Bergssida

(3 tim)

Positionsfel [m]

Nord-syd

Öst-väst

(6)

RUAG Space

11 Mer GPS positionsfel

Signalerna fördröjs olika mycket i atmosfären och jonosfären.

•Atmosfären kompenseras med modeller

•Jonosfären kompenseras med mätning på 2 frekvenser eller korrektioner via EGNOS

Atmosfär

RUAG Space

12

(7)

RUAG Space

13 Integritet (Galileo)

Övervakningsstation

(Ca 40 runt jorden)

Sätt varningsflagga!

Upplänk

Varning!

inom 6 s

Kontrollcentral

En satellit

sänder

felaktiga

signaler.

Differentiell positionering

Tid

T1

Position

P1

Tid

T2

Position

P2

Tid

T3

Position

P3

Tid

T4

Position

P4

Korre

ktion

er

(8)

RUAG Space

15 Maskinstyrning

RUAG Space

16 AIS – Automatic Identification System:

Fartyg kommunicerar sin: identitet,

position, kurs, fart, last, destination

mm till trafikledning och andra fartyg

(9)

RUAG Space

17 Code Correlation

The code sequence in the receiver is time delayed until the codes match.

The time delay gives the code phase and hence the range to the GPS SV.

GPS C/A

RX C/A

The autocorrelation

function

P = Punctual

E = Early

L = Late

E

P

L

Code phase delay

Code phase adjusted to

match GPS signal

Principen för GNSS Radio-occultationer

t

₁

t

₂

t

₃

GPS

● Mäter på GPS-signaler

● Räknar ut strålens krökning

_α

och brytningsindex

μ

● Detta ger luftens tryck och

temperatur beroende på höjden

● Fördelar:

- Temperaturnoggrannhet 1K

- Upplösning i höjd 1 km

- Mätning över hela jorden

- Mätning genom moln,

- Natt&dag

● Värdefullt för

vädermodeller

(motsvarar

väderballonger)

samt klimatforskning

(10)

RUAG Space

19 Ljusets brytning i ett prisma

Glas

eller

Atmosfär

Ljus

eller

Radiovågor

Hastighet = c

Hastighet < c

eller radiovågors brytning i atmosfären

RUAG Space

20

180oW 120oW 60oW 0o 60oE 120oE 180oW 90oS 60oS 30oS 0o 30oN 60oN 90oN

(11)

RUAG Space

21 MetOp Satellite

•ESA – EUMETSAT

•Launch:

2006-10-19

•Low Earth Orbiting

(800 km)

•Global coverage

•Measures:

–Temperature

–Humidity

–Cloud altitude

–Wind

(direction and speed)

–Surface pressure

–Ozone

GRAS Instrument Overview

Velocity

Antenna

(Shaped beam)

Anti-Velocity

Antenna

(Shaped beam)

Zenith

Antenna

GEU

Electronic

Unit

L 1 L 2 LO IF

RF

Conditioning

Unit

Rising o

ccultatio

_ns

Settin

g occ

ultatio

ns

Navigation/POD

Overhead TEC

Flight Direction

(12)

RUAG Space

23 • Antenna pattern shaped to

earth rim

• Coverage ±55° in azimuth

(captures all high quality

occultations)

• High antenna gain 10 - 12

dBi over the full coverage

• Suppressed interference

and noise

Velocity

Anti−Velocity

Occultation Antennas

RUAG Space

24

(13)

RUAG Space

25 METOP GRAS Antennas

Bending Angle to Refractivity

LEO

To GPS

Onion model:

In a symmetric atmosphere, the

bending angle profile can be

transformed into a refractivity

profile by means of the Abel

transform:

( )

ξ

α

π

μ

d

r

)

(

r

∫

∞

−

=

2

1 )

(

ln

(Projection of the ray path on the

radius)

(14)

RUAG Space

27 Från brytningsindex till temperatur

Dominerande term in refraktiviteten:

T

P

k

N

=

₁

d

m

T

R

P

=

ρ

Allmänna gaslagen:

+

Ö

∫

∞

+

=

h

R

_E

dr

r

g

r

h

P

(

)

ρ

(

)

(

)

Ö

)

(

)

(

)

(

h

R

h

P

m

h

T

ρ

=

Hydrostatisk jämvikt:

(

trycket = vikten av luften ovanför)

Allmänna gaslagen:

6

10 )

(

1 )

(

h

=

+

N

h

⋅

−

μ

Refraktivitet, N, definieras som:

P = tryck

ρ = densitet

T = temperatur

R = gaskonstanten

m = molaritet

RUAG Space

28