Temat: Charakterystyka nawigacji satelitarnej

Plan prezentacji:

1. Czym jest nawigacja? Krótka charakterystyka.
2. Historia nawigacji satelitarnej
3. Działanie nawigacji satelitarnej
4. Systemy nawigacji satelitarnej
5. Zastosowanie nawigacji satelitarnej
6. Systemy nawigacji satelitarnej
7. Kształt Ziemi
8. Ruchy Ziemi i ich konsekwencje
9. Czas na Ziemi
10. Bibliografia   Celem poniższej pracy jest przedstawienie charakterystyki i zasad działania nawigacji satelitarnej. Jak i omówienie podstawowych informacji o kuli ziemskiej. Czym jest nawigacja Nawigacja – jest działem wiedzy zajmującym się określaniem bieżącego położenia oraz optymalnej drogi do celu dla ludzi, statków, pojazdów lądowych i innych przemieszczających się obiektów. Nawigacja satelitarna To rodzaj radionawigacji wykorzystujący fale radiowe ze sztucznych satelitów w celu określania położenia punktów i poruszających się odbiorników wraz z parametrami ich ruchu w dowolnym miejscu na powierzchni Ziemi.Najpopularniejszym systemem nawigacyjnym jest: GPS (Global Positioning System). Satelitarne systemy radionawigacyjne charakteryzują się następującymi zaletami w porównaniu z klasycznymi systemami radionawigacyjnymi:

• globalnością systemów (systemy klasyczne, z wyjątkiem systemu Omega nie mają tej cechy);
• dużą i prawie jednakową dokładnością określania pozycji na całym obszarze stosowalności,
• niezawodnością od warunków meteorologicznych;
• niezawodnością od pory roku i doby;
• możliwością przekazywania dodatkowych informacji, nie związanych z nawigacją.

Satelitarny system nawigacyjny tworzą następujące elementy:

• określona liczba satelitów nawigacyjnych poruszających się dookoła Ziemi po wyznaczonych orbitach;
• sieć stacji obserwacyjnych odbierających sygnały nadawane przez urządzenia zainstalowane na satelitach; stacje te mają łączność z centrum sterowania systemem, w którym oblicza się efemerydy satelitów; -środki łączności, służące do przekazywania obliczonych efemeryd satelitów poszczególnym użytkownikom;
• autonomiczne urządzenia nawigacyjne, wyznaczające pozycję obiektu. Zarys historii nawigacji satelitarnej Prekursorem ówczesnych systemów satelitarnych był system Transit, utworzony w 1958r w Laboratorium Fizyki Stosowanej Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa w USA. System ten miał praktyczne zastosowanie w nawigacji morskiej oraz służył jako pomoc geodezyjna źródło częstotliwości wzorcowej. Od 1967r system Transit zaczął być sporadycznie wykorzystywany również do celów cywilnych. Na początku lat 80. był już ogólnodostępny. Składał sie z sześciu satelitów, funkcjonował do 31 grudnia 1996. W 1960 został skonstruowany system satelitarny MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control), mający określać koordynaty ruchomych wyrzutni rakiet Minuteman. Z powodu zawieszenia prac nad systemem rakietowym nigdy nie zaczął funkcjonować. SECOR (Sequential Collation of Range) to uruchomiony w kwietniu 1964 satelitarny system lokalizacyjny i nawigacyjny. Był złożony z trzynastu satelitów, stworzony na potrzeby wojsk lądowych. Pełną zdolność operacyjną – (Full Operational Capability, FOC) Nawigacja GPS osiągnęła 17 lipca 1995 roku. Oznaczało to globalne pokrycie zasięgiem nawigacji GPS Ziemi. Wyłączenie Selective Availability – mimo, że nawigacja GPS została udostępniona cywilom w 1983 r., to jednak sygnał satelitarny był celowo zakłócany, aby zmniejszyć precyzję wyznaczania pozycji. Był to tzw. mechanizm Selective Availability. Powodował on błędy podczas pozycjonowania w granicach 100m. Chwilowo mechanizm ten nie działał w latach 1990-1991 (został wyłączony na czas I wojny w Zatoce Perskiej). Definitywnie został wyłączony 1 maja 2000 roku. Działanie nawigacji satelitarnej Działanie nawigacji satelitarnej polega na pomiarze odległości którą musi pokonać sygnał wysłany przez satelitę (który porusza się po zdefiniowanej orbicie) do anteny terminalu odbiorczego znajdującej się np. w samochodzie, statku, bądź innym urządzeniu Znana odległość od satelity umiejscawia terminal na sferze o promieniu równym zmierzonej odległości. Znając odległość od dwóch satelitów można ulokować odbiornik na okręgu będącym przecięciem dwu sfer. Po zmierzeniu odległości od trzeciego satelity, pozostają dwa punkty, w których może się znajdować terminal. Ostateczne położenie terminala określa się po wykluczeniu punktu znajdującego się zbyt wysoko lub poruszającego się za szybko. Dokładność pomiarów jest determinowana zegarem oraz pomiarem opóźnienia sygnału odebranego z poszczególnych satelitów. Zastosowanie nawigacji satelitarnej Oprócz zastosowań militarnych, system nawigacji satelitarnej jest obecnie spotkany w bardzo wielu różnych dziedzinach gospodarczych m.in. w: Ratownictwie – Nadajniki określające pozycję, pozwalają na szybką lokalizację zaginionych pojazdów, samolotów, statków oraz osób. Transporcie – morskim, drogowym, lotniczym jak i kolejowym. Nawigacja satelitarna ma zastosowanie w automatycznej identyfikacji poruszających się obiektów, do sterowania ich trasami i ostrzegania o potencjalnych zagrożeniach. Nawigacji osobistej – zaczynając od pomocy w identyfikacji nieznanego terenu i dostarczaniu o nim adekwatnych informacji, poprzez nadzór nad pracownikami podczas pracy w sytuacjach zagrożenia, aż do szeroko rozumianej rekreacji. Geodezji – do określania położenia nadajnika z dokładnością sięgającą kilku milimetrów dzięki zastosowaniu pomiaru różnicowego i pomiaru faz fali nośnych, na których kody są modulowane. Systemy nawigacji satelitarnej GPS – Najnowocześniejszy z satelitarnych systemów nawigacyjnych, satelitarny system nawigacyjny Navstar (Navigational Satellite Time and Ranging) znany pod nazwą GPS (Global Positioning System) został zaprojektowany jako precyzyjny system określania położenia o zasięgu globalnym. GLONASS (Global Navigation Satellite System) jest rosyjskim odpowiednikiem GPS Navstar. Oba systemy działają na zasadzie biernego pomiaru odległości między odbiornikiem, a satelitami. Metoda pomiaru i działanie systemu są podobne. GALILEO W 2002 UE wraz z Europejską Agencja Kosmiczną zdecydowały się na wprowadzenie alternatywy dla GPS, nazwanej systemem Galileo. System ma się składać z 30 satelitów (27 operujących i trzech w rezerwie) znajdujących się na trzech kołowych orbitach. W Europie mają powstać dwa centra kontrolujące pracę satelitów. Beidou Chiński system nawigacji satelitarnej, który w chwili uruchomienia będzie obejmował swym zasięgiem tylko region Chin i państw sąsiadujących. Do końca 2020 roku planowane jest wystrzelenie 35 satelitów. Odbiorcom komercyjnym zapewni badanie położenia z dokładnością do 10 metrów oraz szybkości z precyzją do 0,2 metra na sekundę. DORIS – (Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite) to system nawigacyjny stworzony przez Francję. GNSS – jest w fazie projektów i wstępnych realizacji jest stworzenie ogólnoświatowego cywilnego systemu nawigacji, określanego jako Global Navigation Satellite System (GNSS). Pierwszy etap tworzenia wspólnego systemu jest określany jakoGNSS-1. Koncepcja systemu zakłada eliminację typowych niedomagań GPS poprzez zwielokrotnienie źródeł informacji pozycyjnej, zapewnienie nieprzerwanego dopływu danych korekcyjnych oraz możliwość stałego monitoringu jakości danych pozycyjnych. GNSS-1 bazuje na istniejących segmentach orbitalnych GPS Navstar i rosyjskiego systemu GLONASS. Rozwinięciem GNSS-1 ma być GNSS-2. Konstelacja satelitów nawigacyjnych będzie obejmować satelity GPS Navstar typu II F, GLONASS M i nowe satelity europejskie o roboczej nazwie Galileo. Kształt Ziemi Ziemia jest bryłą, której kształt nazwano geoidą. Geoida to bryła, która powstaje przez poprowadzenie na średnim poziomie niewzburzonego morza płaszczyzny prostopadłej do linii pionu. Odchylenie powierzchni geoidy od powierzchni elipsoidy obrotowej jest niewielkie i wynosi +/- 100m. Wymiary ziemi jako elipsoidy obrotowej: Promień biegunowy 6357 km Promień równikowy 6378 km Promień średni 6371 km Obwód równikowy 40076 km Powierzchnia 510 mln km² Objętość 1083 mln km³

Bryłę Ziemi nazywa się także geoidą (fizyczna powierzchnia Ziemi). Za powierzchnię poziomu odniesienia przyjmuje się powierzchnię mórz i oceanów w ich spokojnym stanie, podlegającym tylko działaniom sił ciężkości oraz ich przedłużaniu pod powierzchnią lądu. Powierzchnia geoidy ma nieregularny kształt (tzw. nieprawidłowa bryła geometryczna). Do rozpatrywania teoretycznych rozważa się elipsoidę obrotową lub wzorcową (bryłą przewidywalna). Większa z półosi elipsoidy (półoś wielka) leży w płaszczyźnie równikowej, a mniejsza (półoś małą) pokrywa się z osią obrotu Ziemi.

Ortodroma jest linią najkrótszej odległości między dwoma punktami na powierzchni kuli. Jak wynika z podstawowych pojęć geometrii, najkrótszą odległością na powierzchni kuli pomiędzy dwoma punktami jest łuk koła wielkiego.

Loksodromą nazywamy drogę pojazdu, przecinającą południki rzeczywiste pod jednakowymi kątami. Na małych odległościach różnica drogi według ortodromy i loksodromy jest nieduża i zwykle nie bierze się jej pod uwagę przy obliczaniu drogi według loksodromy.

Standardowym modelem fizycznym Ziemi stosowanym w systemie GPS jest model opisany w światowym systemie geodezyjnym WGS-84 (ang. World Geodetic System - 84). W modelu tym rzeczywisty kształt Ziemi aproksymuje się elipsoidę obrotową. Przekroje modelu płaszczyznami równoległymi do płaszczyzny równikowej są kołami. Promień przekroju równikowego wynosi 6378,137 km. Jest to średni równikowy promień Ziemi. Przekroje modelu płaszczyznami normalnymi do płaszczyzny równikowej są elipsami . Wielka oś przekroju zawierającego oś z pokrywa się z równikową średnicą ziemi; wielka półoś a ma więc taką samą długość jak średni promień równikowy. Mała półoś przekroju pokrywa się z biegunową średnicą Ziemi. Mała półoś b ma w modelu WGS-84 długość 6356,7523142 km. Ruchy ziemi i ich konsekwencje Ruch wirowy ziemi to ruch ziemi dookoła własnej osi z zachodu na wschód w okresie doby gwiazdowej, to jest 23h 56min 4s. Prędkość kątowa wszystkich punktów na ziemi (z wyjątkiem biegunów, które są nieruchome) jest stała i wynosi 15°/h. Prędkość liniowa zmienia się od 0 km/h na biegunach do 1666 km/h na równiku.

Następstwami ruchu wirowego na ziemi są:

• dzień i noc;
• wschody i zachody Słońca i innych ciał niebieskich;
• pozorny dzienny ruch sfery niebieskiej;
• pozorna dzienna wędrówka Słońca po niebie;
• czas na Ziemi;
• przypływy i odpływy morza, wywołane ruchem wirowym Ziemi oraz grawitacyjnym oddziaływaniem Słońca i Księżyca; -siła Coriolisa powstająca wskutek różnej prędkości liniowej punktów położonych w różnych szerokościach geograficznych, siła Coriolisa działa zgodnie z ruchem wskazówek zegara na półkuli północnej i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara na półkuli południowej.

Ruch obiegowy ziemi to ruch ziemi wokół Słońca po eliptycznej orbicie w okresie roku zwrotnikowego, czyli 365d 5h 48min 46s – w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Oś obrotu ziemi jest nachylona do płaszczyzny orbity pod stałym kątem 66°33’. Ponieważ ziemia porusza się wokół Słońca po orbicie eliptycznej, odległość Ziemia – Słońce podlega sezonowym zmianom. Wyróżnia się dwa skrajne położenia Ziemi względem Słońca. Są to peryhelium, czyli punkt przysłoneczny w którym Ziemia znajduje się najbliżej Słońca – 147 mln km, oraz aphelium, czyli punkt odsłoneczny, kiedy ziemia znajduje się w największej odległości od Słońca – 152 mln km. Następstwami ruchu obiegowego są:

• pozorna roczna wędrówka Słońca po niebie po drodze zwanej ekliptyką;
• pozorny roczny ruch sfery niebieskiej;
• zmiana oświetlenia Ziemi w ciągu roku powodująca zmianę długości trwania dnia i nocy w ciągu roku, istnienie dni i nocy polarnych, zmianę kąta padania promieni słonecznych w ciągu roku oraz zmianę miejsc wschodów i zachodów Słońca na widnokręgu w ciągu roku;
• strefy oświetlenia ziemi;
• pory roku. Czas na ziemi Prawdziwy czas słoneczny (miejscowy czas słoneczny) to czas mierzony na podstawie momentu górowania Słońca nad miejscowym południkiem geograficznym. Wszystkie miejscowości leżące na tym samym południku geograficznym mają ten sam czas prawdziwy słoneczny. Czas urzędowy to czas wprowadzony przez władze danego kraju i obowiązujący na całym jego terytorium lub terytoriach poszczególnych jednostek administracyjnych.

Bibliografia: • Bem D,. Nawigacja satelitarna, SORC®, Wrocław 2001 • Janik, Malinowski Podstawowa nawigacja lotnicza, Wydawnictwa komunikacyjne, Warszawa 1957 • Szymoński M., Nawigacyjne wykorzystanie sztucznych satelitów Ziemi. WKiB, Warszawa 1989 • Strzamowsk J. Geografia wyd: Eremis, Warszawa 2005 • Szutowski L., Domicz L. Podrecznik pilota samolotowego Poznań 2008 • Wyrozumski W. Podręcznik nawigacji lotniczej WKŁ 1984