GPS alkalmazása az építőiparban I. - A GPS helymeghatározás alapfogalmai – 1. rész

Szakcikkek - 2009-11-24 17:01:59 nyomtatás cikk nyomtatása



Legújabb cikksorozatunk bemutatja, hogyan lehet a GPS technológiát felhasználni építőgépek vezérlésére. E technológia mára beépült mindennapjainkba, mégis kevesen tudják, hogy is működik. Ezt a hiányt igyekszik pótolni mostani és következő cikkünk.

A mesterséges holdról történő helymeghatározás elve:



Az i. állásponton működő vevőkészülék méri a műhold pillanatnyi távolságát és irányát, azaz az r irányvektort. Ha ismerjük a műhold koordinátáit, a vevő koordinátái ugyanabban a koordinátarendszerben számíthatók. Mivel a módszerek közül pillanatnyilag egyik sem képes az r irányvektor mindhárom komponensét egyidőben szolgáltatni, ezért ha távolságmérést alkalmazunk, a vevőnek egyidőben 3 ismert koordinátájú műhold távolságát kell mérni. A
GPS módszer esetében ez 4 műhold egyidejű mérését jelenti, mivel negyedik ismeretlenként kezeljük a vevőnk órájának eltérését a GPS rendszeridőtől.

A mesterséges holdak koordinátái tetszőleges időpontra számíthatók a hold által sugárzott jelek kódolt paramétereiből. Ezek a koordináták geocentrikus, derékszögű X, Y, Z koordináták, melyek a WGS 84 referencia rendszerre vonatkoznak. A GPS mérések eredményeként elsődleges adatként WGS 84 rendszerben értelmezett geocentrikus, derékszögű X, Y, Z koordinátákat kapunk. Ezekből, - a megfelelő transzformációs paramétereket ismerve - tetszőleges dátumra, alaprendszerre vonatkoztatott koordinátákat számíthatunk.

A GPS mérési adatok valójában távolságok, amelyek a vevőben előállított, illetve a vett jelek összehasonlításával, idő- és fáziskülönbség mérés alapján határozhatók meg. A GPS mérés egyutas módszer, amelyet a műhold és a vevő órajárási hibái befolyásolnak. Ezért a GPS mérés során, órahibákkal terhelt távolságokat= pszeudo távolságokat, (áltávolság) kapunk.

A GPS mérés elve, jelsugárzási módok:

A GPS technika a mesterséges holdak által kisugárzott rádiójelek vételén alapul.

A GPS holdak fedélzetén elhelyezett oszcillátorok f0= 10.23 MHz alapfrekvencián működnek, rádiójeleket azonban két különböző frekvencián sugároznak. Az L1 és L2 jelűn.

Az L1 frekvencia az alapfrekvencia 154 -szerese, az L2 120 - szorosa.

L f1 =154 f0 = 1575.42 MHz.
L f2 =120 f0 = 1227.60 MHz.

Ennek megfelelően a hullámhosszak: l 1= 19,0 cm és l 2= 24,4 cm. Ezeket a vivőhullámokat (carrier) különböző kódokkal modulálják annak érdekében, hogy információkat továbbíthassanak a vevők felé. A kódok +1 és -1 értékekből álló sorozatok, a bináris 0 és 1 számjegyeknek megfelelően.

A kódolás elve a fázis billentyűzés (biphase modulation), azaz a vivőhullám fázisának 180 fokkal való eltolása akkor, ha a kód értéke ( +1 vagy -1 ) változik.
A fázisbillentyűzés elve:



A vivőhullám modulálásakor kétféle kódolást alkalmaznak. A C/A kód ( coarse/acquisition code ) frekvenciája f 0/10, tehát 1,023 MHz -es frekvenciával követik egymást a +1 és -1 értékek. A kódsorozat minden ezredmásodpercben ismétlődik, és minden GPS hold esetén különböző. Ez teszi egyértelműen azonosíthatóvá a holdakat.

A P - kód (precision code) frekvenciája megegyezik az f0 alapfrekvenciával, és 266,4 naponta ismétlődik. A holdak azonosítását a kód egyedi " mintája" teszi lehetővé. A P - kód teljes, 266.4 napos ciklusának 7-7 napos darabját rendelték hozzá egy-egy GPS holdhoz. A kód generálása minden vasárnap éjfélkor, a GPS hét kezdetén újraindul. A mesterséges holdakat azonosító PRN ( pseudorandom noise ) szám éppen arra utal, hogy a teljes P - kód melyik egyhetes szakaszát rendelték a holdhoz.

Titkosítás: Anti -Spoofing ( A - S). Az Anti Spoofing a P kód titkosítása azért, nehogy valaki hamis információ sugárzásával illetéktelenül beavatkozhasson a rendszerbe. A titkosítás eredménye az Y kód, melyet csak a titkos konverziós algoritmus ismeretében lehet megfejteni.

A jelfeldolgozás alapelvei

A GPS két típusú mérést képes végezni. Az egyik az úgynevezett kód korrelációs technika, amelyhez szükség van legalább az egyik PRN kód ismeretére, a másik a kód nélküli technika. Mindkét eljárás alkalmas a vivőhullám rekonstruálására, így annak fázisa meghatározható.

A kód korrelációs technika a modulálatlan vivőhullám mellett a jel többi komponensét ( navigációs üzenet, órajel ) is megfejthetővé teszi. Az eljárás alaplépései:

- referencia rezgés keltése a vevőben
- a referencia rezgés modulálása az ismert PRN kóddal
- az így kódolt referencia jel összehasonlítása (korrelálása) a műholdról vett jellel; a két jel közötti időeltolódás jelenti a műholdról érkező hullámok terjedési idejét
- a kód eltávolítása a vett jelből, így a navigációs üzenet dekódolható, majd kiszűrhető
- megmarad a modulálatlan vivőhullám, a fázismérés végrehajtható.
Amennyiben a C/A kódot ismeri a vevő, az L1 vivőhullám rekonstruálható. A P kód ismeretében az L1 és L2 is visszaállítható.

A kód nélküli eljárás a bejövő jelek négyzetelésén alapul. A kódolás eltűnik, mert a kódok +1 és -1 jelsorozatai négyzetre emelés után +1-et adnak. A moduláció megszűnése mellett a frekvencia megkétszereződik. A négyzetelő eljárás előnye hogy független a kódoktól, hátránya hogy a jel/zaj viszony csökken. A két technika együttes alkalmazása is elképzelhető: az L1 vivőhullám rekonstruálása a C/A kód korrelációval, az L2-é négyzeteléssel.

Helymeghatározási módszerek

A meghatározási módszereket csoportosítása:
- abszolút vagy relatív
- statikus vagy kinematikus

Az abszolút helymeghatározás egy független, egypontos meghatározás, ahol a koordinátákat kódmérésből, pszeudotávolság meghatározásból kapjuk a WGS-84 koordinátarendszerben, a méréssel egyidőben. Ehhez a mérési módszerhez egy vevőkészülék szükséges.

A relatív helymeghatározás a pszeudotávolság, vagy vivőfázis szimultán mérését jelenti két vagy több ponton, ugyanazon holdakra. Ehhez a mérési módszerhez legalább két vevőkészülék szükséges. Fázismérésnél a relatív pontosság 1 ppm. A kapott koordináták a referenciaponthoz viszonyított értékek. Előfeltétele , hogy legalább két ponton folyjon fázismérés ugyanazon GPS holdakra. Az egyik pont koordinátái rendszerint nagy pontossággal ismertek ( ez a referencia pont ), a másikéi ismeretlenek. A módszer valójában a két pont közötti vektort adja meg. A feldolgozási módszer a mérésekből képzett különbségekkel való számításon alapul, melynek során bizonyos hibák eltűnnek, vagy hatásuk jelentősen csökken

Statikus mérési módszernél a vevő az észlelés teljes ideje alatt helyben marad, így sok fölösleges mérési eredmény adódik.

Kinematikus módszernél a vevőkészülék folyamatosan mozog, fölösleges mérési eredmény nincs.

Az abszolút statikus módszernél 1s-os mérési idő alatt a helymeghatározás pontossága valósidejű mérésnél:






Ha a mérési adatok feldolgozását később végezzük, és pontos pályaelemekkel számolunk, akkor a megbízhatóság 2 - 5m lesz.

Az abszolút - kinematikus módszerrel 1 ms -os mérési idő alatt a maximálisan elérhető pontosság 20 - 50 méter. E pontosság eléréséhez a mozgásban lévő vevőnek folyamatosan 4 műhold jeleit kell mérnie. Ezzel a módszerrel a járművek mozgási pályáját lehet meghatározni.

A relatív statikus módszernek van a legnagyobb jelentősége geodéziai szempontból, főleg fázismérés esetében, mert így érhető el maximális pontosság GPS -szel. Rövidebb bázisok esetében centiméter alatti. Precíz pályaelemeket használva a pontosság tovább javulhat, elérheti akár a 0.01 ppm -et is. Ez a módszer alkalmazható alappontsűrítésnél, hagyományos terepfelméréseknél, ipari geodéziában.

A relatív - kinematikus módszer alkalmas a vevő útvonalának rövid idő alatti meghatározására. A mérést egy álló, és egy mozgó vevővel végzik. A mérés kezdetekor két ismert ponton abszolút kinematikus módszerrel meghatározzák a koordinátákat. Ezután az egyik vevőantennát a kezdőponton hagyjuk, a másikkal pedig pontról pontra haladva folyamatos mérést végeznek. Egy - egy új ponton megállva, a mérés időtartama néhány másodperctől 1 percig terjedhet. Vivőfázis mérésekor az elérhető pontosság néhány centiméter, kódméréssel néhány méter. Ezzel a módszerrel nagy számú pont gyors és pontos meghatározása lehetséges.

A kinematikus módszernek több változata van

Stop and go (félkinematikus módszer)

Ez a módszer a statikus és a kinematikus relatív helymeghatározások kombinációja.
A mérés során az egyik vevő végig egy ponton áll, a másik az új pontok között mozog, majd rövid időre az új ponton megáll. A módszer jellemzője, hogy a meghatározás pontossága az álló helyzetben végzett mérésnél növekszik, mivel az eredmény több mérési adat átlagából születik.



Pszeudokinematikus, vagy megszakított kinematikus módszer

Az új pontokon sorban, egymás után mérnek, majd mintegy egy óra elteltével fordított sorrendben újra mérnek. Így lehetővé válik a többértelműség felolása, javul a pontosság. Ennek oka, hogy a várakozási időben változik a holdak konstellációja. E mérésnél a pontok közötti átállás időtartamára a vevők kikapcsolhatók



Gyors statikus módszer

Itt a gyors inicializáláshoz (többértelműség feloldáshoz) a kód - és vivőfázis mérések kombinációját alkalmazzák. Itt az egyébként hagyományos statikus módszerrel végzett mérésnél mindkét frekvencián mérni kell a vivőfázist, és a kódot is. 5 -10 perces mérés után 1 ppm megbízhatóság érhető el.



On the fly ( OTF ) módszer

Ez egy inicializálási módszer, melyet főleg kinematikus méréseknél alkalmazunk. Ez a kóddal segített technika, amely a többértelműség feloldására szolgál, lehetővé teszi mozgó járművek helyzetének centiméter pontosságú meghatározását.

Magyar Gergely tanulmánya alapján
Konzulens: Dr. Balpataki Antal


A Szakcikkek rovat további cikkei:

Útrehabilitáció hidegmaró alkalmazásával IV.
Építőgépeken alkalmazott újszerű vezérlési módok XI.
Útrehabilitáció hidegmaró alkalmazásával III.
Földmunkagépek minőségi vizsgálata I.
Építőgépeken alkalmazott újszerű vezérlési módok X.



A gépnet.hu legfrissebb hírei:

Az SSAB öt új termékcsaládot vezet be az egyedi ügyféligények kielégítésére
Strenx acél: magasság határok nélkül
Melior Laser: beszállítói pozíció új iparágakban
Laser Plus: acél, ami tökéletes simaságot garantál
Ruukki Laser Plus – tökéletes sima felület a lézervágás után



Legolvasottabb a gépneten:

BOSCH DLE 50 digitális lézeres távolságmérő TESZT!
Új anyagtípus: bórral ötvözött acél
Prémium termékek és szolgáltatások prémium vevőknek
„Az év gépe 2010” választás nyertesei
Geotermikus hőerőmű Iklódbördöcén