Loading presentation...

Present Remotely

Send the link below via email or IM

Copy

Present to your audience

Start remote presentation

  • Invited audience members will follow you as you navigate and present
  • People invited to a presentation do not need a Prezi account
  • This link expires 10 minutes after you close the presentation
  • A maximum of 30 users can follow your presentation
  • Learn more about this feature in our knowledge base article

Do you really want to delete this prezi?

Neither you, nor the coeditors you shared it with will be able to recover it again.

DeleteCancel

GPS

történet, működés, felépítés, felhasználás
by

Gergő Girhiny

on 20 May 2012

Comments (0)

Please log in to add your comment.

Report abuse

Transcript of GPS

GPS Az egyre növekvõ igények egy új helymeghatározó rendszer kifejlesztését tették szükségessé. Követelmény volt vele szemben, hogy képes legyen rakéták és más harci jármûvek gyors és pontos helymeghatározására a nap 24 órájában az idõjárástól függetlenül. A csúcstechnológia alkalmazása lehetõvé tette egy ilyen rendszer kiépítését lényegében párhuzamosan az USA-ban és az akkori Szovjetunióban.

Amerikában 1973 december 17-én mutatták be a NAVSTAR GPS (Navigation System with Timing and Ranging = navigációs mûholdas idõ- és távolságmeghatározás) 24 mûholdból álló rendszerét.

A szovjetek hasonló rendszere a GLONASS (Globalnaja Navigacionnaja Szputnyikovaja Szisztyema) nevet kapta. Ez a Szovjetunió bukása miatt soha nem érte el a teljes kiépítettséget, ellentétben a GPS-szel, amely 1994-ben eljutott idáig. Egy műhold felépítése súlya két tonnát nyom, napelemeinek mérete 18 méter, teljesítményfelvétele 2 kW, tervezett élettartama pedig 15 év.

A mûholdak szabályos idõközönként jeleket bocsátanak ki, amelyben küldött adatok tartalmazzák a mûhold aktuális helyzetét, és a rajta mérhetõ pontos idõt. Minden mûholdon található egy cézium, vagy rubidium atomóra, amellyel nagy pontossággal mérhetõ az idõ, ami az egész rendszer mûködésének az alapja. A rendszer minden mûholdja szinkronizáltan mûködik, azaz az óráik pontosan össze vannak hangolva és jeleiket is egy idõben küldik a megfigyelõ felé.

A rendszer másik fontos feltétele a mûholdak helyzetének pontos ismerete. A nagy keringési magasság miatt a földi atmoszféra már nem befolyásolja a szatellitek pályáit, így az nagy pontossággal elõre meghatározható. De a precizitás növelése érdekében az USA védelmi minisztériuma (DoD = Departement of Defence) létrehozta a földi figyelõ és követõ hálózatát, amely feladata a GPS mûholdak követése, napi vizsgálata, aktuális pozícióik és sebességük mérése, az esetleges pálya- és egyéb korrekciók végrehajtása és a pontosított adatoknak a mûholdra történõ eljuttatása. A monitorállomások elhelyezkedése a Földön. A magyarországi referenciapontok. A fõ központ Pencen található. A mûholdak és a földi állomások után a GPS rendszer harmadik egysége a felhasználók vevõkészülékei.
Ezek szintén tartalmaznak egy nagy pontosságú kvarcórát. Amikor a mûhold kisugározza a pillanatnyi helyzetét és a fedélzeti idõt, a rádiójelek némi késéssel érkeznek a vevõkészülékbe (20000 kilométeres magasságban ez a késleltetés 0,06 másodperces) A késésbõl így a készülék ki tudja számítani a mûhold tõle mért távolságát. Négy mûhold adataiból pedig megkaphatjuk a pontos helyzetünket.
Fontos szempont továbbá, hogy a GPS készülék csak fogadja a rádiójeleket, önmaga nem bocsát ki sugárzást, így a berendezés működése mások számára észrevétlen marad, valamint nincs szükség nagy áramforrásra az üzemeltetéshez. Európa sem akar lemaradni az amerikaiak mögött. 2002 márciusában az EU elfogadta egy sok milliárd dolláros navigációs rendszer támogatását, ami az autósoktól a hajósokig bezáróan bárkinek segítséget nyújt a tájékozódásban a világ bármely pontján. A rendszert Galileo-nak hívják, nem titkolt célja az amerikai GPS uralmát megtörni, bár a két rendszer kompatibilis lesz egymással. A Galileo a GPS rendszerrel ellentétben minden fegyveres testülettõl független lesz. Ez, és még az a tény, hogy Kína is segítséget nyújt a rendszer kiépítésében, szálka lett az Egyesült Államok szemében. Õk ugyanis a GPS polgári hozzáférhetõségét egy vélt, vagy valós konfliktus esetén csökkenthetik, vagy akár meg is szüntethetik, míg a Galileo tõlük függetlenül tovább üzemelne. Így azt az ellenfél is felhasználhatná navigációs célokra. Ez a monopólium volt az egyik fõ oka a Galileo projekt megszületésének: a Pentagon ugyanis nem vállalt semmiféle garanciát a szolgáltatás biztosítására. Egy esetleges leállítása a GPS rendszernek pedig katasztrófákhoz vezethet, itt gondolhatunk akár egy tankhajó zátonyra futására is.

A Galileo rendszer 27 mûködõ és 3 tartalék mûholdból fog állni, amelyek 23 600 kilométeres magasságban keringenek majd a Föld körül. A rendszer 2008-ban kezdi meg a mûködését. Mivel a mûholdak a legmodernebb technikával fognak készülni, a pontosságuk egy méteren belül lesz, ami tízszeres javulás a GPS-hez képest. Feladatunk, hogy határozzuk meg a térben elfoglalt helyzetünket néhány körülöttünk keringõ szatellita segítségével. Elõször egy adott pillanatban megmérjük az álláspontunk és az elsõ mûhold távolságát. Legyen ez a távolság 20000 km. Egy mérés alapján a helyzetünkrõl csak azt mondhatjuk, hogy valahol azon a gömbön van, amit a mûholdra mint középpontra 20000 km-es sugárral szerkesztettünk. Ugyanebben az idõpontban mérjük meg a távolságunkat egy másik mûholdtól is. Legyen ez a távolság 21800 km. Világos tehát, hogy mi rajta vagyunk azon a gömbön is, amelyet a második mûhold, mint középpont körül 21800 km-es sugárral szerkesztettünk. Vagyis álláspontunk rajta van a két gömb metszésvonalaként létrejött körön. Mérjük meg ugyanebben a pillanatban a távolságunkat egy harmadik mûholdtól is, és ez legyen mondjuk 23600 km. Ez a harmadik gömb két pontban fogja metszeni az elsõ két gömb metszésvonalát, mi tehát a két pont valamelyikében állunk. Sikerült tehát két pontra szûkíteni a lehetséges helyzeteink számát. Természetesen nekünk ezek közül csak az egyik adhatja meg a valós pozíciónkat, a másikat ki kell ejtenünk.
Ezt kétféleképpen tehetjük meg:
ha tudjuk, hogy a Föld felszínén állunk, akkor az a keresett pontunk, amelyik közelebb van a Földhöz. Vagyis itt a Földet, mint egy negyedik gömbfelületet vesszük számításba, amelynek a pozícióját ismerjük.

Ha azonban nem tudjuk biztosan meghatározni, hogy melyik pont írhatja le a pontos helyzetünket, akkor szükségünk lesz egy negyedik mûhold távolságának a meghatározására is, és így jutunk hozzá a negyedik gömbhöz. Névlegesen a rendszer 24 mûholdból áll (21 aktív és 3 tartalék) amelyek 20200 km magasságban a nap minden 12 órában megkerülik a Földet. A mûholdak a 6 pályasíkon egymáshoz képest 60 fokkal el vannak forgatva, az egyenlítõhöz viszonyított pályaelhajlásuk 55 fok. Az egyes mûholdak mindig azonos pályán keringenek oly módon, hogy egy pontot minden nap négy perccel korábban érnek el. A mûholdak száma, helyzete és a pályasíkok azt a célt szolgálják, hogy a földfelszín bármely pontján adott idõpillanatban a látóhatár síkja fölött 15°-kal legalább négy szatellit látható legyen. Általában azonban ennél több mûhold is látható egy idõben, mivel az elöregedõket folyamatosan cserélik le újabbakra. Az ember már a kezdetek óta érdeklõdött a helye, helyzete iránt a Földön. A nagy õsi civilizációk igen sok csillagászati ismerettel rendelkeztek, amiket a térképészet szolgálatába állítottak. Idõszámításunk elõtt 201-ben Eratoszthenész például már képes volt arra, hogy a földrajzi helyek szélességi adatai közötti különbséget közelítõleg meghatározza a delelõ nap helyzetének megfigyelésével. Erre alapozva még a Föld sugarát is képes volt megmérni.
A tengeri kereskedelmet és a távoli földrészek meghódítását igen erõteljesen támogatta a kínai eredetû mágneses iránytû európai elterjedése. A középkorban az északi féltekén a földrajzi szélességet már igen pontosan meg tudták határozni a sarkcsillag helyzetének a mérésével. A földrajzi hosszúság meghatározásához a Nap delelési idejét mérték. Ez nagy pontosságú kronométert igényelt, amelynek az elkészítésére az angol kormány 1707-ben pályázatot írt ki. Ezt a pályázatot John Harris nyerte meg bravúros mérnöki alkotásával. Ezek a helymeghatározási módszerek azonban a 20. század igényeinek már kevésbé feleltek meg. Az 1920-as években vetõdött fel az ötlete egy rádiónavigációs rendszer kifejlesztésének, amelynek segítségével a hajók navigátorai meghatározhatták a helyzetüket partközelben. Ezt a rendszert, amelyet LORAN-nak hívtak (Long Range Aid to Navigation = Távoli navigációs segítség) az amerikai hadsereg a második világháború elejére már rendszeresítette. A LORAN hálózat elérhetõ volt a világ legtöbb helyérõl, fõleg Európából és Amerikából, azonban csak kétdimenziós rendszer volt, s ezáltal nem volt alkalmas repülõgépek helymeghatározására. 1960-as években az USA Haditengerészete számára elkezdték kiépíteni a TRANSIT mûholdas navigációs rendszert, elsõsorban a hadihajók és a katonai repülõgépek navigációja céljából. Ennek hét darab mûholdja közel kör alakú pályán keringett 1100 km magasan. 1967-tõl polgári célokra is felhasználhatóvá tették és még az 1990-es években is több felhasználója volt a kisebb hajók és repülõgépek navigátorai között. A rendszert azonban sok kritika is érte: mivel a viszonylag kis számú mûhold naponta csak szûk észlelési ablakot biztosított (15-20 perc/átvonulás) így hosszú volt a várakozási idõ a következõ mérésre. Továbbá egy-egy helymeghatározás pontossága 50 méter volt, így pontos helyzethez csak több mérés átlagából lehetett hozzájutni. Ezen okok miatt a rendszer gyorsan mozgó objektumok navigációjára nem volt alkalmas. Ráadásul az alacsony pályamagasságuk miatt a mûholdak pályája egyáltalán nem volt stabil. Ezekhez járult még, hogy a mûholdak alacsony frekvenciájú jeleit az ionoszférában lejátszódó jelenségek nagy mértékben torzították. Történeti áttekintés Létrehozásának oka Működés A rendszer felépítése A Galileo rendszer Tipikus hibák (eredmény méterben)

műhold órája 1,5
pályahiba 2,5
ionoszféra 5,0
troposzféra 0,5
vevő zaja 0,3
visszaverődés 0,6 Előnyök, hátrányok A GPS-sel történő helymeghatározás előnyei
napszaktól független
földfelszín feletti magasságtól független
mozgási sebességtől független (a műszerrel akár repülőgépen is mérhetünk, egy bizonyos sebességhatárig)

A GPS-szel történő helymeghatározás hátrányai
a szükséges adatok vétele viszonylag hosszú időbe telik (bekapcsolás után több perc is lehet)
csak nyílt, fedetlen területeken alkalmazható (pl.: alagútban nem)
az épületekről visszaverődő jelek zavart okoznak a mérésben
a ritkán előforduló erős napkitörések alatt használhatatlanná válnak. Felhasználási területei Geodézia Navigáció Jármvédelem, flottakövetés Mezőgazdaság Közúti navigáció: a GPS útvonalat tervez a feltöltött térképeken, azon végigvezetve a felhasználót. A tervezésnél - megfelelő térkép esetén - a közlekedési szabályokat is képes figyelembe venni, a kanyarokról, autópálya-lehajtókról hangutasítással is tájékoztatja a jármű vezetőjét.
Hajós navigáció: a GPS-re töltött hajózási térkép alapján útvonalak tervezhetők, melyeken a készülék végigvezet. A hajós GPS-ek képesek veszélyes-pont riasztásra (pl. hajóroncs, zátony), horgony-riasztásra (a megadottnál nagyobb elmozdulás) is. A legfejlettebb készülékek az ún. autopilot-fukció segítségével képesek akár a hajót is elvezetni a megadott útvonalon.
Hobbi-repülés: sárkányrepülés, siklóernyőzés, vitorlázórepülés közben nagyon jó szolgálatot tesz egy GPS, melyről leolvasható a pillanatnyi pozíció, a célpont iránya és távolsága, a siklásarány, a pillanatnyi magasság, sebesség, és egyéb adatok.
Professzionális repülés (utas- és áruszállítás): a nagy pontosságú repülős GPS-ek a célpontra történő navigáción túl akár a leszállópályára történő rávezetésben is képesek segédkezni, a repülési útvonal megtervezését pedig feltöltött légtér-adatbázis segíti.
Gyalogos navigáció: egy kisméretű kézi GPS nagyon hasznos útitárs lehet akár egy egyszerű városnézés során is. A tipikus gyalogos felhasználás viszont inkább a túrázás: a legegyszerűbb készülékek is képesek saját pontok, valamint a bejárt útvonal rögzítésére, a kicsit komolyabb GPS-ekre pedig akár szintvonalas turista-térképek is feltölthetők. Így a vándor minden pillanatban tudja, merre jár, illetve milyen irányban és távolságban van a cél. Járművédelem: a gépkocsiba szerelt GPS folyamatosan képes meghatározni a pillanatnyi pozíciót. Ezt a pozíció-adatot akár GSM-hálózaton, akár egy egyéb műholdas kommunikációs csatornán továbbítja a központ felé. A járműbe szerelt egység a pozíción túl a jármű különféle elemeinek állapotát is képes figyelni és továbbítani azt a központ felé, így ott nem csak az esetlegesen ellopott autó pozíciója derül ki, hanem hogy épp rajta van-e a gyújtás, melyik ajtó van nyitva, stb. Fontos megjegyezni, hogy a GPS-rendszert kiszolgáló NavStar műholdak ilyen irányú kommunikációra nem képesek, tehát a központ felé történő folyamatos visszajelentést egyéb csatornákon kell megoldani.
Valós-idejű flottakövetés: a járművédelemhez hasonló rendszerben a gépkocsikban lévő GPS-ek a központ (vagy a szolgáltatás szervere) felé folyamatosan jelentik saját pozíciójukat, a megfelelő jogosultsággal rendelkező felhasználó pedig láthatja a járművek helyzetét - a rendszertől függően vagy egy kliens-szoftverben, vagy egyszerűen a weben, vagy akár egy PDA-n, illetve wapos mobiltelefonon. (FLEET.HU - járműkövetés weben, wapon, PDA-n)
Logger-alapú járműkövetés: a járműben található GPS-vevő egy hozzá kapcsolódó memória-egységnek adja át az adatokat, akár másodpercenként rögzítve a pontos pozíciót. Ebben az esetben nincs valós idejű visszajelentés, az adatok folyamatosan gyűlnek, amik bizonyos időközönként letölthetők a loggerből. A letöltött adatok megfelelő szoftver segítségével térképen is megjeleníthetők, továbbá az adott útszakaszhoz tartozó dátum/idő és sebesség is kiolvasható belőlük. Ez a rendszer nem alkalmas a nagy értékű szállítmányok biztonságos követésére, inkább a cégautókkal magán-fuvarokat bonyolító alkalmazottak ellenőrzésére, a járművekkel kapcsolatos költségek ésszerű csökkentésére szolgálnak. Terület-mérés: egy adott területet körbejárva a GPS képes meghatározni a terület pontos nagyságát.
Növényvédelem: a permetezőszerek szórásánál (repülőről vagy traktorról) a terület pontos bejárását segíti a GPS. Általa elkerülhető, hogy a terület egy része kimaradjon a szórásból, netán feleslegesen duplán legyen megszórva.
Káros növények (pl. parlagfű) szaporodásának, terjedésének kontrollja: pontosan mérhető a fertőzött terület, valamint a pontos pozíció ismeretében egyszerűbb a folyamatos ellenőrzés Terület, távolság, magasság mérésére. A geodéziai GPS-vevők az "egyszerű" navigációs vevőknél nagyobb pontosságra képesek. Ezt vagy a terepen rögzített adatok utófeldolgozásával, vagy valós idejű korrekcióval érik el. Így ezek a készülékek akár centiméter-pontosságot is képesek produkálni. Ezzel a pontossággal már mérhető akár egy híd kilengése, vagy egy földrengést követően a kéreglemezek elmozdulása is.
Katasztrófa-védelem
Tűzvédelem: az erdőtüzek által elpusztított területek nagyságának pontos megállapításában, a veszélyeztetett helyek figyelésében jó szolgálatot tesz a GPS.
Árvízvédelem: a folyamatosan emelkedő vízszint ismeretében nagy pontosságú magasságmérésre is képes geodéziai GPS-ekkel mérhető, hogy hol várható a vízszint gátak fölé emelkedése, illetve mely alacsonyabban fekvő területek a veszélyeztetettek.
Globális pontos idő: a GPS-es pozíció-meghatározás egyik fontos alapeleme, hogy a vevő-készülék órája szinkronban álljon a műholdak nagy pontosságú atomóráival. Ennél fogva a Földön használt valamennyi GPS-vevőkészüléken "ugyanyannyi az idő", így a rendszer képes pl. távoli szerverek óráinak megbízható szinkronizálására. Felhasznált irodalom http://astro.u-szeged.hu/szakdolg/vegiandras/felhasznalas/helymeghatarozas.html
http://www.geochallenge.hu/index.php?mit=85&cikk_id=2
http://en.wikipedia.org/wiki/Gps
http://www.mindentudas.hu/pap/20030624paplaszlo.html
http://www.turabot.hu/erdekes/gps.html f1 = 1575,42 MHz = 1.575.420.000 rezgés/másodperc,
hullámhossza: λ1 = 19 cm
f2 = 1227,60 MHz = 1.227.600.000 rezgés/másodperc,
hullámhossza: λ2 = 24,4 cm
A hullámhossz azért fontos, mert ezen a távolságon belül lehet pontosan mérni. Egy autóba szerelhető GPS vevőkészülék Kincskeresés A geocaching lényege, hogy egy jól lezárt ládikát a vállalkozó kedvű játékos elrejt egy általa kiszemelt, valamilyen szempont szerint megismerésre, felfedezésre érdemesnek ítélt terepen, és egy erre alkalmas GPS készülékkel a megfelelő módon rögzíti a rejtekhely (ez a "cache") pontos koordinátáit. Ezeket az értékeket bejegyzi a www.geocaching.hu oldalon és a geocaching központi honlapjára. Ezek az adatok mindenki számára elérhetőek.
A játékba bárki csatlakozhat, aki elfogadja a Geocaching Szabályzatot és regisztrálja magát a geocaching.hu-n.
Miskolcon rejtettek el a Diósgyőri Várban, a Barlangfürdőben, a Kocsonyafesztiválon is és még sok más helyen... Említésre méltó Illik megemlíteni Kálmán Rudolf nevét, aki a szabályozástechnika magyar származású úttörője, a Swiss Federal Institute of Technology emeritus professzora. 2009. október 7-én, a Fehér Házban megrendezett díszünnepségen vette át Barack Obamától az USA legrangosabb tudományos díját, a National Medal of Science-t. Az indoklás szerint Kálmán Rudolf a rendszerelmélet terén kifejtett alapvető jelentőségű munkásságáért, a műszaki tudományok, az ökonometria, és a statisztika területén is alkalmazott szigorú matematikai módszerek kidolgozásáért, különösen pedig a holdraszállásnál és a GPS-ekben is használatos ún. Kálmán-szűrő megalkotásáért részesült az elismerésben.
Full transcript