GPS 2.0. – Valódi innováció a műholdas helymeghatározásban (2. rész)

Az előző részből (1.rész) megismerkedhettünk azokkal a kihívásokkal, melyek megoldása a GNSS technológia, tágabb értelemben a rádiófrekvenciás helymeghatározási módszerek valódi fejlesztési irányát jelenthetik. Emlékeztetőül:

  • A felhasználó akár épületen belül, vagy a föld alatt is cm pontos koordinátákhoz jusson
  • A sűrűn beépített városi, pláne épületen belüli környezetre jellemző magas többutas terjedési környezetben is működőképes maradjon az eszköze
  • Az alrendszerek száma a minimumra csökkenjen és a felhasználó kezébe kerüljön. Az ügyfél tehát ne csupán a rover oldallal rendelkezzen, hanem kvázi a műholdas és a földi referencia hálózati oldalt is birtokolja és menedzselje.

Láttuk, hogy született megoldás ezekre a problémákra a Locata Corporation fejlesztése alapján, amit aztán a Leica Geosystems hasznosított  a bányászati szektorban. Jelen posztban röviden áttekintjük az innováció műszaki hátterét.

Idő és frekvencia szinkronizálás – a TimeLoc megoldás

A pontos rádió-frekvenciás (RF) helymeghatározás (mely messze túlmutat, a műholdas helymeghatározáson vö.: digitális kommunikációs rendszereken belüli helymeghatározás, RFID, stb.) alapvető fizikai követelménye az elektromágneses hullámokat kibocsátó adók és vevők órái közötti szinkronizáció. Ez az alapja a GNSS működési elvének is (konvencionális kódmérés: Single Point Position), de még a differenciális kód- és fázismérésnél (Relative Positioning) is szerephez jut (műhold órák GPS világidőben való szinkronizálása), jóllehet ez utóbbi módszer lényegénél fogva kiejti az órahibákat. Ezért cserébe azonban komoly kiegészítő alrendszerekre (RTK hálózat, mobilkommunikációs szolgáltatás, stb.) van szükség (lásd fenti kihívásokat). A „hagyományos” rádiófrekvenciás helymeghatározási módszerek esetén tehát a pontos pozíciók eléréséhez nagy értékű atomórák és/vagy komoly kiegészítő infrastruktúra (differenciális korrekciók) szükséges. Hogyan oldható meg az órák és frekvenciák szinkronizálása költséges és komplex alrendszerek és módszerek nélkül? Erre ad választ a Locata Corporation levédett TimeLoc megoldása.

A TimeLoc lehetővé teszi a LocataLites adók számára az 1 nanoszekundumnál is jobb időszinkronizációt és kb. 1 ppb (part per billion) frekvenciastabilitást (ahogy ezt Chris Rizos professzor úr  és társai (University of New South Wales) terepi mérésekkel igazolták 2013-ban). A módszer alapelve, hogy az ismert ponton telepített adó-vevő (LocataLite) legalább egy referencia adótól ún. referencia pozicionáló jelet kap. A referencia jelgenerátor lehet egy másik (szintén ismert alapponton álló adóvevő (LocataLite), vagy lehet WAAS műhold, GNSS műhold, pszeudolitok vagy ezek valamilyen kombinációja. Miután az adóvevő megkapta a referencia jelet, a saját belső jelgenerátorát szinkronizálja az adóhoz, és ezt a szinkronizált jelet maga is továbbítja a környezetében lévő más (LocataLite) adóvevők számára, melyek aztán szintén szinkronizálják az órájukat (és a frekvenciát) az előbbi adóhoz. Az így létrehozott hálózaton belül (melynek minimum konfigurációja valamely referencia forrásnak tekintett adóhoz szinkronizált legalább két adóvevő) a Locata rover képes kód és fázismérés alapú nagypontosságú helymeghatározásra differenciális korrekciók nélkül. Fontos kiemelni, hogy ennél a módszernél a referencia-adó oszcillátorának nincs szüksége az atom idő szabványai szerinti stabilitásra, a módszer ugyanis leköveti az olcsó órák bizonytalanságát, és hálózaton belül kiemelkedő stabilitást tart fent.

Nézzünk a módszer mélyére! Az 1. ábrán található az alapkonfiguráció, ahol látunk egy referenciának tekintett (ismert koordinátákkal rendelkező) jel adót (202) és a szintén ismert ponton álló adóvevőt (201). Ez utóbbi (201) tartalmaz egy vevőt (204) és mellette egy adót (205) A referencia pozicionáló jel (203) tartalmaz fázis, frekvencia, álvéletlen kód (PRN) és egyéb „navigációs” információt. Válaszul a referencia jel (203) vételére az adóvevő (201) kibocsát egy kiszolgáló jelet (206), mely jelet a saját vevője (204) is vesz. Ez a kiszolgáló jel (206) szintén tartalmaz fázis, frekvencia, álvéletlen kód (PRN) és egyéb „navigációs” információt. A vevő (204) tehát egyszerre veszi a referencia jelet (203) és a saját kiszolgáló jelét (206), melyek összevetéséből meghatározza:

  • a vett és generált jel frekvencia-különbségét
  • a navigációs adatok segítségével a durva terjedési időt
  • az álvéletlen kódok (PRN) összevetésével az áltávolságok különbségét
  • a vett és generált jelek fázis-különbségét.
Kep011. Ábra. Forrás: United States Patent: Method and Device for Chronologically Synchronizing a Location Network, Patent No. US,7616,682, B2, Patent date: Nov. 10, 2009

Mindezek, valamint az ismert koordinátákból számított pontos távolság alapján elvégezhető az idő- és frekvenciaszinkronizálása. A folyamat (2. ábra) a következő:

  1. Az „A” adóvevő (LocataLite) elküldi az egyedi jelét (kód és fázis)
  2. A „B” adóvevő (LocataLite) veszi az „A” adó jelét.
  3. A „B” adóvevő (LocataLite) legenerálja a saját egyedi jelét (kód és fázis), amit –és ez fontos- a saját vevője is vesz.
  4. A „B” adóvevő (LocataLite) kiszámítja az „A” adóvevőből érkező és a saját maga által generált jel közötti különbséget (lásd feljebb).
  5. A „B” adóvevő (LocataLite) átállítja a saját oszcillátorát úgy, hogy a vett és generált jelek közötti különbség nulla legyen. A jelek közötti különbségeket folyamatosan monitorozza és kiegyenlíti a rendszer. Más szavakkal a „B” adóvevő (LocataLite) folyamatosan követi az „A” adóvevőt (LocataLite).
  6. Az utolsó lépés, hogy az ismert koordináták birtokában a távolságeltérést is korrigálja a rendszer. Amint ez is megtörténik, az ún. TimeLoc állapotot elértük.

Kep 2_1

Kep_2_2

Kep 2_3

2. Ábra. Forrás: Edward Powers, Arnold Colina: Wide Area Network Synchronization Using Locata, United States Naval Observatory, Washington DC.
 

Skálázható lefedettség, a teljes rendszer a felhasználó kezében

Az előbb megismert TimeLoc módszer lehetővé teszi, hogy költséges atomórák, műholdak, illetve a differenciális mérést biztosító infrastruktúra nélkül is képesek legyünk 1 nanoszekundum-nál is jobb hálózati szinkronizálásra és így a nagypontosságú ún. single point helymeghatározásra (tehát a „klasszikus” GNSS-nél ismert relatív helymeghatározás mellőzésére). Ennek eredményeként a felhasználó kvázi saját maga rendelkezik a földi telepítésű „műholdakkal” és referencia hálózattal. Ebből eredően saját maga dönthet a konstellációról és a területi lefedettségről (3. kép) – kivéve a globális kiterjedést, amit viszont maga a GNSS biztosít, amihez a Locata hálózat tetszőlegesen kapcsolható. Ez utóbbi lehetőségre példa a Leica JPS bányászati alkalmazása.
locata_gnss-constellation.jpg

3. Ábra. Forrás: Locata technology Brief v8.0. (Public – July 2014)

A területi lefedettség szorítkozhat akár csak egy helységre egy épületen belül, vagy egy városrészre, de akár egy nagyobb földrajzi régióra is. 2012-ben a US Air Force 6500 km2 területen tesztelte sikerrel a hálózatot (4. ábra).

Locata Regionális konstelláció.JPG4. Ábra: Az elsőként telepített regionális LocataNet hálózat, US Air Force, White Sands Missile Range, New Mexico, Forrás: Locata technology Brief v8.0. (Public – July 2014)

RTK pontossággal erdő mélyén, épületen belül

A műholdas helymeghatározás során elérhető jelerősség, pusztán a több mint 20 km magasságban keringő műholdak fizikájából eredően meglehetősen gyenge. Ahhoz mindenképpen gyenge, hogy erdőben, épületek falain belül használhatók legyenek. Ezzel ellentétben a Locata által alkalmazott jelek nagyságrendekkel erősebbek. Valójában a jelerősségnek (alapértelmezésben a Wi-Fi esetén is alkalmazott 2,4 GHz-et használja 200-500 mW teljesítménnyel) a helyi szabályozások szabhatnak csak gátat, de ez sem jelent problémát, mivel az alkalmazott frekvencia-sávok és sugárzási energia széles sávban szabadon megválasztható és állítható. Ennek és a fentebb ismertetett levédett szinkronizálási módszernek köszönhetően a Locata jelekkel nagy pontosságú pozícionálás hajtható végre nagy többutas terjedéssel terhelt környezetben és épületek falain belül.
Nem csoda tehát, ha a technológia iránt elsőként érdeklődött az Egyesült Államok Légiereje és a Leica Geosystems is. Sőt, időközben a NASA is megkezdte a Locata hálózatok használatát a pilóta nélküli járművek (UAV) légi irányítási rendszere teszteléséhez.
A következő bejegyzésben bemutatjuk a Leica Geosystems és a Locata Corporation együttműködéséből született és már a mérnöki gyakorlatban is működő Leica JPS(Jigsaw Positioning System) alkalmazásokat.

Felhasznált irodalom:

Üdvözlettel,
a Leica Geosystems
magyarországi csapata

Hasznosnak találod az oldalt? Oszd meg a tudásodat másokkal: ez az egyik módja annak, hogy halhatatlan légy. (Tendzin Gjaco)

%d blogger ezt szereti: