SATELITARNE TECHNIKI POMIAROWE

Transkrypt

1 SATELITARNE TECHNIKI POMIAROWE WYKŁAD 2 SYSTEMY WSPOMAGANIA SATELITARNEGO I NAZIEMNEGO IAG GGOS PORTAL, INTERNATIONAL SERVICE GNSS (IGS) ALTERNATYWNE DO GNSS METODY OBSERWACJI SATELITARNYCH 1

2 SYSTEMY SBAS EGNOS SBAS Satellite Based Augmentation System. To satelitarny system wspomagający. Europejski system EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) wspomaga działanie istniejących systemów nawigacji satelitarnej (głównie sieci Navstar/GPS) od 2003 roku. Do odbiorników GPS współpracujących z EGNOS wysyłane są sygnały korekcyjne pochodzące z satelitów geostacjonarnych znajdujących się nad Europą. Sygnały te zawierają korekty pozycji podawanych przez sieć Navstar, co kilkukrotnie zwiększa ich dokładność. Przede wszystkim jednak, EGNOS weryfikuje dane pochodzące z sieci Navstar, sprawdzając, czy nie doszło do awarii tych satelitów lub błędów podczas transmisji. M.in. informuje o spadku dokładności lub awarii systemu GPS najpóźniej po 6 sekundach. Dzięki temu, dane z sieci Navstar/EGNOS mogą być zastosowane tam, gdzie ze względów bezpieczeństwa, muszą być w pełni wiarygodne od 2011 roku. Są to tzw. aplikacje typu "Safety of Life", np. precyzyjna nawigacja samolotów, sterowanie ruchem pociągów czy niektóre akcje ratunkowe. 2

3 SYSTEMY SBAS EGNOS EGNOS opiera się na trzech satelitach geostacjonarnych. Na Ziemi znajdują się stacje pomiarowe i kontrolne, które prowadzą ciągłe testy sieci Navstar i satelitów EGNOS. Obliczają poprawki danych GPS, wykrywają nieprawidłowości w transmisji i sprawdzają, czy nie doszło do awarii któregoś z satelitów. Poprawki i dane o stanie sieci GPS są transmitowane do satelitów EGNOS, które z kolei wysyłają je do odbiorników GPS. 3

4 EGNOS Segment kosmiczny składa się z trzech satelitów geostacjonarnych obejmujących zasięgiem całą Europę (15.5 W, 21.5 E i 25 E). Segment naziemny składa się z 40 stacji referencyjnych i retransmitujących oraz 6 stacji kontrolnych i kontrolno-testowych: 34 stacje pomiarowo-obserwacyjne (Ranging and Integrity Monitoring Stations RIMS) odczytują depesze nawigacyjne z satelitów GPS (w tym jedna w Warszawie, w Centrum Badań Kosmicznych), 6 stacji transmitujących (Navigation Land Earth Station NLES) wysyła poprawki do satelitów, które następnie przekazują je do użytkowników, 4 stacje kontrolne (Mission Control Center MCC) przetwarzają dane i obliczają poprawki różnicowe, 2 stacje kontrolno-testowe: DVP (Development Verification Platform) i ASQF (Application Specific Qualification Facility) w Torrejón obok Madrytu oraz PACF (Performance Assessment and Check-out Facility) w Tuluzie. 4

5 EGNOS 5

6 EGNOS Stan systemu EGNOS na podstawie stacji PERFECT w Warszawie na dzień , godz. 21:00 HPE błąd położenia dla składowych poziomych HPL gwarantowana dokładność dla składowych poziomych 6

7 EGNOS Stan systemu EGNOS na podstawie stacji PERFECT w Warszawie na dzień , godz. 21:00 VPE błąd położenia dla składowych pionowych VPL gwarantowana dokładność dla składowych pionowych 7

8 8

9 SYSTEMY SBAS Odpowiednikami EGNOS w Ameryce Północnej jest WAAS (Wide Area Augmentation System) od 2003 roku, w Indiach GAGAN (GPS-Aided Geosynchronous Augmented Navigation System) od 2014 roku w Japonii MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System) od 2007 roku oraz QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) od 2018 roku???, w Rosji SDCM (System of Differential Correction and Monitoring) od 2018 roku???, OmniSTAR komercyjne rozwiązanie SBAS. 9

10 Liczba satelitów: 7 SYSTEMY SBAS OmniSTAR Typ orbity: geostacjonarna Pierwotna nazwa LandStar. Jest to pierwsze i jak dotąd jedyne komercyjne rozwiązanie SBAS. Od 2010 roku jest to także pierwszy tego typu system oferujący poprawki dla GLONASS. OmniSTAR wyróżnia rekordowy zasięg poprawki dostępne dla większości obszarów lądowych świata. Segment naziemny systemu składa się z około 100 stacji referencyjnych (najbliżesze Polski: Wiedeń i Charków) a także z dwóch stacji kontrolnych. Na segment kosmiczny składa się siedem satelitów telekomunikacyjnych. 10

11 SYSTEMY SBAS OmniSTAR OmniSTAR stacje referencyjne i zasięg działania 11

12 Poprawki OmniSTAR dostępne są za pośrednictwem następujących serwisów: VBS (Virtual Base Station) podstawowa usługa. Poprawki VBS obliczane są na podstawie jednoczęstotliwościowych pomiarów z kilku stacji referencyjnych. Usługa oferuje dokładność porównywalną z WAAS czy EGNOS w materiałach promocyjnych systemu określono ją jako 70 cm w poziomie (prawdopodobieństwo 95%). XP (Extended Performance) poprawki obliczane są dla dwóch częstotliwości GPS z wykorzystaniem korekt orbit i zegarów atomowych. Dokładność wyznaczania pozycji wynosi 10 cm w poziomie i 15 cm w pionie (ufność 95%). HP (High Performance) w odróżnieniu od VBS poprawki w tej usłudze obliczane są dla dwóch częstotliwości GPS, co znacząco redukuje błąd wynikający z opóźnienia jonosferycznego. Dokładność zbliżona do XP. G2 to GPS + GLONASS, usługa XP wzbogacona o dane dla sygnałów GLONASS. Dokładność zbliżona do XP. IP (Internet Protocol) poprawki dostarczane są za pośrednictwem internetu. Użytkownik musi więc posiadać odbiornik wyposażony w modem GPRS. Rozwiązanie to przeznaczone jest przede wszystkim do pracy przy słabej widoczności nieba oraz na wysokich szerokościach geograficznych. 12

13 SYSTEMY WSPOMAGANIA NAZIEMNEGO Ground-Based Augmentation Systems (GBAS) 13

14 SYSTEMY WSPOMAGANIA NAZIEMNEGO Ground-Based Augmentation Systems (GBAS) Ground-Based Augmentation Systems (GBAS) Ground Regional Augmentation System (GRAS) Local Area Augmentation System (LAAS) Wymagania bezpieczeństwa nawigacji w lotnictwie cywilnym Wymagania systemu i standardy określane przez: FAA (Federal Aviation Organization) <-> ICAO (International Civil Aviation Organization) The Ground-Based Augmentation System (GBAS) GBAS Landing System (GLS) 14

15 Wcześniej The Ground-Based Augmentation System (GBAS) to Local Area Augmentation System (LAAS). 15

16 SYSTEMY WSPOMAGANIA NAZIEMNEGO Ground-Based Augmentation Systems dostarczanie (GBAS) Zadanie: dodatkowych informacji w celu zwiększenia wydajności pozycjonowania satelitarnego, nawigacji i przekazywania sygnałów czasu. Parametry/cechy: dokładność, dyspozycyjność, uczciwość i rzetelność, niezależne sprawdzenie GNSS, integralność monitorowania i alarmowania dla zastosowań krytycznych. Wykorzystanie: do operacji krytycznych dla bezpieczeństwa: lądowanie, wejście do portu, manewrowanie, itp.. 16

17 GBAS zapewnia precyzyjną nawigację i obsługę podejścia w sąsiedztwie lotniska (w odległości około 23 mil morskich, tj km). Nadaje, przesyła korekcję różnicową poprzez radiowe łącze danych bardzo wysokiej częstotliwości (VHF) z wydajnego nadajnika naziemnego. GBAS daje wysoką dokładność, dostępność i integralność danych niezbędną do odpowiednich kategorii podejścia. Dokładność jest mniejsza niż jeden metr, zarówno w osi poziomej i pionowej. 17

18 The Ground-Based Augmentation System (GBAS) GBAS - wyposażenie naziemne (znajdujące się na lotnisku lub w pobliżu lotniska): - trzy lub więcej anten GPS, - centralny system przetwarzania (komputer i oprogramowanie), - nadajnik VHF Data Broadcast (VDB) GBAS - wyposażenie pokładowe: - antena GPS, - antena bardzo wysokiej częstotliwości (VHF), - związane z nimi urządzenia przetwarzające. Na pokładzie samolotu znajduje się Multi-Mode Receiver (MMR), który umożliwia równoczesny odbiór i przetwarzanie sygnałów GPS, GBAS i ILS odbieranych za pomocą typowych anten i sprzętu. GBAS używa odpowiedniej bezpiecznej, szyfrowanej, odpornej łączności radiowej (VHF) w celu zapewnienia statkowi powietrznemu korekt GPS i informacji o ścieżce podejścia. Zakres (VHF) : ,975 MHz co 25 khz (min.108,025mhz - max.117,950mhz). Może i wykorzystuje różne systemy GNSS, również SBAS i pseudolity. 18

19 Pseudosatelity Pseudosatellites Pseudolity Pseudolites To naziemne nadajniki sygnałów GNSS. Koncepcja pseudosatelitów została opracowana i zastosowana w 1970 roku. Podczas pierwszych testów projektowych systemu GPS, zaprojektowano też i wykorzystywano nadajniki naziemne do emitowania sygnału podobnego do GPS. Obecnie pseudolity mają wiele zastosowań jednakże najbardziej rozpowszechnione i najczęściej stosowane są pseudolity lotniskowe. 19

20 Pseudolity Classification of Pseudolite Navigation System 20

21 VCO Voltage Controlled Oscillator Generator sterowany napięciem Pseudolity Block diagram of Pseudolite TOXO Temperature Compensated Crystal Oscillator OCXO Oven Controlled Crystal Oscillator PLL Phase Locked Loop IC BPF Band-pass filter 21

22 Pseudolity W oparciu o pseudolity można zbudować system nawigacji autonomicznej używany, na przykład do nawigacji w miastach lub w obiektach przemysłowych. Pseudolity to najczęściej statyczne nadajniki naziemne, które emitują sygnały podobne do GNSS, z wykorzystaniem podobnych do GNSS zakresie kodów i częstotliwości nośnych. Komunikat danych albo podobny do tego odpowiedniego sygnału GNSS lub zmienione w celu przesyłania informacji do poprawy wszystkich innych sygnałów GNSS. 22

23 Pseudolity Projekt polski - pseudolita retranslacyjny systemów SBAS 23

24 Pseudolity 24

25 Pseudolity Oprócz wielu zalet wykorzystania pseudolitów przy ich zastosowaniu występuje wiele problemów. Zakłócenia ze względu na bliską/daleką odległość pomiędzy nadajnikami i odbiornikiem. To skutki różnej mocy - poziomów między sygnałami pseudolitów i sygnałów GNSS. Moc maleje wraz z kwadratem odległości zatem odebrany sygnał pseudolity, który ma porównywalny z GNSS poziom mocy 160dBW w odległości 30 km wzrośnie do - 130dBW w odległości 1 km i w związku z zagłuszy wszystkie inne sygnały GNSS. Różne metody rozwiązania tego problemu. Sygnały z pseudolity są przesyłane w formie krótkich, cyklicznych impulsów. Sygnały te są transmitowane przez jakiś czas, na przykład około 0,1 ms, natomiast w ciągu następnych 0,9 ms nie są nadawane. Procedura ta jest realizowana w sposób ciągły. W ciągu tej 0,1 ms sygnały GNSS są zakłócane. Odbiorniki GNSS jednak nadal są w stanie odbierać i śledzić sygnały ze względu długi okres bez zakłóceń 0,9 ms. I tak w każdej 1 ms. Krótki okres zakłóceń (0,1 ms) jest kompensowany przez długi okres 0,9 ms odbioru sygnału z GNSS. 25

26 Pseudolity Kolejny problem jest spowodowany przez efektem wielotorowości. Anteny pseudolitów muszą być zaprojektowane i umieszczony w taki sposób, że w miejscu nadajnika nie występuje wielotorowość. W przeciwieństwie do sygnałów GNSS, wielotorowość jest tutaj stała w czasie i zmienia się tylko z przy ewentualnej zmianie stanowiska użytkownika/odbiornika. Kolejnym problemem jest synchronizacja czasu do czasu GNSS, która musi być osiągnięta, w przeciwnym określana pozycja straci dokładność. 26

27 Pseudolity Częstotliwość przesyłu danych jest odpowiednio zwiększona do 1000 bps i więcej. Dodatkowy sygnał GNSS poprawia dostępność i ciągłość pozycji. Informacje docierają do odbiornika użytkownika. Pseudolity wzmacniają geometrię konstelacji, zwłaszcza w kierunku pionowym. Dokładność jest zwiększona przez dodatkowy sygnał z pseudolity, w szczególności też wzmocnione uzyskane jest dla poprawek różnicowych. Sygnały z pseudolitów nie są obarczone wpływem jonosfery (błąd opóźnienia), a także znacznie ograniczony jest wpływ troposfery. Statyczne położenie pseudolity, przez kalibrację, umożliwia zminimalizowanie błędu orbity. Niewielkie odległości między pseudolitami oraz odbiornikami użytkownika powodują szybkie zmiany geometrii przy zastosowaniach kinematycznych. Sprzyja to rozwiązywaniu problemu nieoznaczoności. 27

28 GNSS a Pseudolity Temperature Compensated Crystal Oscillator Oven Controlled Crystal Oscillator 28

29 Pseudolity Pseudolity armii amerykańskiej A Galileo test environment Pseudolite in the Berchtesgaden Alps 29

30 Pseudolity Automatic Control of Vehicle using Pseudolite based Indoor Navigation System 30

31 Pseudolity Pseudolite Indoor Navigation System in Seoul Nat'l Univ. 31

32 Pseudolity 32

33 Systemy wspomagania na niskich częstotliwościach LORAN - LOng RAnge Navigation Hiperboliczny system radionawigacji, działający w zakresie fal długich odbieranych z dwóch lub więcej radiolatarni do określenia pozycji. Wykorzystywany jest głównie do nawigacji w żegludze morskiej i lotnictwie. Łańcuch LORAN-C ma jedną stację główną oznaczoną jako M (master) i kilka stacji podległych, oznaczanych W, X, Y, Z. Nadajniki mogą być różnej mocy od 200 kw do 2 MW i spełniać podwójną funkcje: pojedyncza stacja może być stacją główną w jednym łańcuchu i jednocześnie podrzędną w innym. Maszt systemu LORAN-C położony na wyspie Sylt Europejski system LORAN-C, został wyłączony 31 grudnia

34 Systemy wspomagania na niskich częstotliwościach Eurofix z LORAN-C - Holandia, Loran GNSS (LOGIC) - USA Szereg systemów wspomagania niskiej częstotliwości było badanych pod kątem ich wykorzystania. Jeden z nich to Eurofix, który dostarcza informację GNSS za pomocą infrastruktury Loran-C. System został opracowany w Delft University of Technology w Holandii. Impulsowe sygnały Loran-C są modulowane przez zwiększania ilości informacji. W ten sposób, 30 bps informacji może być transmitowana do augmentacji bez wpływu na wydajność nawigacji naziemnej Loran-C. Osiągana dokładność w poziomie mieści się w zakresie od 1 do 3 m (95%) w zależności od liczby satelitów i lokalizacji. Obszar pokrycia Eurofix odpowiada około km wokół jednego nadajnika Loran-C. Wydajność systemu różnicowego GPS jest bardzo dobra. 34

35 IAG GGOS PORTAL 35

36 GGOS PORTAL Portal/EN/Topics/SatelliteMissions/SatelliteMissions.html 36

37 International Service GNSS (IGS) Międzynarodowe Stowarzyszenie Geodezji (International Association of Geodesy - IAG) ustanowiło w 1993 roku International Service GNSS (IGS). Jego celem jest wspieranie geodezyjnych i geofizycznych działań badawczych poprzez dostarczanie danych i produktów GNSS. IGS sprawuje rolę koordynacyjną, ustala normy i specyfikacje, zachęca społeczność międzynarodową do przestrzegania konwencji. Współpracuje z grupami międzynarodowymi, sieciami śledzenia satelitarnego GNSS, centrami, ośrodkami analitycznymi i różnymi grupami roboczymi. Obecnie to ponad 200 organizacji z ponad 100 krajów. Witryna sieci web IGS a obecnie IGS jest znana przede wszystkim jako źródło dokładnych o orbitach GPS PRECYZYJNE EFEMERYDY. Jednak również dostarcza inne produkty dotyczące obserwacji Ziemi i badań, pozycjonowania, nawigacji i pomiaru czasu. Rozwiązania IGS są to połączone produkty, które integrują rozwiązania 37 generowane przez poszczególne centra analiz.

38 International Service GNSS (IGS) 38

39 39

40 40

41 41

42 42

43 43

44 44

45 ftp://ftp.igs.org/pub/gps/1940/

46 OBOWIĄZKOWO NALEŻY ZAPOZNAĆ SIĘ Z TREŚCIĄ P. Zalewski, Alternatywne do GNSS metody obserwacji satelitarnych, 46

47 LITERATURA K. Czarnecki, Geodezja współczesna w zarysie, Wiedza i Życie, Warszawa B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, E. Wasl, GNSS Global Navigation Satellite Systems GPS, GLONASS, Galileo and more, Springer, Wien - New York P. Zalewski, Alternatywne do GNSS metody obserwacji satelitarnych, [dostęp: ] P. Zalewski, Systemy satelitarne wykorzystywane w nawigacji, wigacji.pdf [dostęp: ] D. Dardari, M. Luise,E. Falletti Satellite and Terrestrial Radio Positioning Techniques: A Signal Processing, Elsevier, [dostęp: ] [dostęp: ] [dostęp: ] [dostęp: ] [dostęp: ] [dostęp: ] [dostęp: ] [dostęp: ] [dostęp: ] [dostęp: ] [dostęp: ] [dostęp: ] s/ [dostęp: ] [dostęp: ] [dostęp: ] [dostęp: ] [dostęp: ] 47