Wykorzystanie systemów satelitarnych w bezpiecznej nawigacji powietrznej

Transkrypt

1 CIEĆKO Adam 1,2 GRZEGORZEWSKI Marek 2 ĆWIKLAK Janusz 2 OSZCZAK Stanisław 2 GRUNWALD Grzegorz 1 BABER Krzysztof 2 Wykorzystanie systemów satelitarnych w bezpiecznej nawigacji powietrznej WSTĘP Nawigacja lotnicza związana jest z teoretycznymi i praktycznymi aspektami bezpiecznego, a zarazem optymalnego prowadzenia statku powietrznego po zadanej trasie wykonywanej w atmosferze ziemskiej [9]. Wykonywanie czynności nawigacyjnych polega na ustaleniu przez pilota (oraz nawigatora) położenia, a także osiągnięciu wcześniej zdefiniowanego kursu, prędkości oraz położenia, stanowiących parametry lotu. Najważniejszym aspektem procesu nawigowania statku powietrznego jest orientacja geograficzna. Pilot oraz nawigator muszą być pewni co do swojego położenia względem punktów terenowych nad powierzchnią Ziemi oraz względem kierunku północy. Zespół czynności związanych z dążeniem do zachowania orientacji geograficznej nosi nazwę prowadzenia orientacji [1, 9]. Zadaniami nawigacji lotniczej są: wybór najbardziej odpowiedniej trasy lotu; wybór odpowiedniego, zapewniającego wykonanie zadania nawigacyjnego, reżimu lotu i najbardziej właściwych technicznych urządzeń nawigacyjnych; zapewnienie poprawności wykonania manewrów nawigacyjnych; zapewnienie ciągłości orientacji geograficznej, przez okresowe ustalanie pozycji statku powietrznego; zapewnienie bezpieczeństwa lotu pod względem nawigacyjnym. 1. JEDNOSTKI MIAR ORAZ PODSTAWOWE POJĘCIA STOSOWANE W LOTNICTWIE Jednostką odległości, która jest uważana za podstawową w nawigacji lotniczej oraz morskiej jest mila morska (NM) [1, 6]. Stanowi ona długość łuku południka ziemskiego, odpowiadającą jednej minucie kątowej koła wielkiego. Powierzchnia Ziemi jest nieregularna, zatem uśredniona wartość 1 NM jest wartością umowną wynoszącą: (1) Natomiast w przypadku podawania wysokości, zastosowanie ma jednostka stopy (ft) wynosząca: 1 stopa = 30,48 cm 30,5 cm (2) Prędkość w nawigacji lotniczej wyraża się w węzłach (kt), które definiuje się jako mile morskie przebyte w ciągu 1 godziny. Oprócz zastosowania przy wyznaczaniu prędkości statków powietrznych, 1 Uniwersytet Warmińsko Mazurski w Olsztynie, Wydział Geodezji, Inżynierii Przestrzennej i Budownictwa, ul. Prawocheńskiego 15, Olsztyn, tel , fax , a.ciecko@kgsin.pl 2 Wyższa Szkoła Oficerska Sił Powietrznych w Dęblinie, Wydział Lotnictwa, ul. Dywizjonu 303 nr 35, Dęblin, tel , fax , a.ciecko@kgsin.pl 744

2 używa się ich w meteorologii do określania prędkości wiatrów. Wartość węzła wyznacza się na podstawie formuły: 1 kt = 1 NM/h = 1,852 km/h (3) W nawigacji lotniczej rozpatrujemy prędkość statku powietrznego w odniesieniu do ośrodka powietrznego oraz względem powierzchni Ziemi [5]. Rozróżniamy następujące rodzaje prędkości powietrznych: IAS (indicated airspeed) jest to poprawiona prędkość przyrządowa lotu o wartość poprawki na błąd przyrządowy (spowodowana tarciem mechanizmów i wpływem na nie zmian temperatury); CAS - (calibrated airspeed) równoważna prędkość lotu, poprawiona o błąd aerodynamiczny spowodowany położeniem rurki Pitota, położeniem przestrzennym oraz konfiguracją samolotu; TAS - (true airspeed) jest to rzeczywista prędkość lotu względem opływających strug powietrza. Równa jest prędkości CAS z uwzględnieniem poprawki związanej z wysokością, temperaturą i ściśliwością powietrza. Prędkość rzeczywista służy do obliczeń nawigacyjnych; GS - (Ground Speed) prędkość rzeczywista względem Ziemi; jest wypadkową prędkości TAS oraz kierunku i siły wiatru; EAS - (equivalent airspeed) prędkość równoważna lotu, uzyskana przez skorygowanie poprawionej prędkości przyrządowej o wartość poprawki ściśliwości powietrza. Poprzez różę wiatrów, zwaną różą kompasów należy rozumieć układ kierunków głównych oraz pośrednich. Można wyróżnić 4 kierunki główne (kardynalne): północny (N), wschodni (E), południowy (S) i zachodni (W), oraz cztery kierunki pośrednie: północno-wschodni (NE), południowo-wschodni (SE), południowo-zachodni (SW) i północno-zachodni (NW) (rysunek 1). Rys. 1. Róża wiatrów [11]. Natomiast przez kurs statku powietrznego należy rozumieć kąt zawarty między północnym kierunkiem południka, a podłużną osią statku powietrznego. Mierzy się go od 0 do 360 zgodnie z ruchem wskazówek zegara, zaczynając od północnego kierunku południka. Kurs statku powietrznego można podzielić na: Kurs geograficzny kąt zawarty między północnym kierunkiem południka geograficznego, a podłużną osią statku powietrznego; Kurs magnetyczny - kąt zawarty między północnym kierunkiem południka magnetycznego, a podłużną osią statku powietrznego; Kurs busoli jest to kąt zawarty między północnym kierunkiem południka busoli, a podłużną osią statku powietrznego. 745

3 Deklinacją nazywamy kąt zawarty pomiędzy północnym kierunkiem południka geograficznego, a północnym kierunkiem południka magnetycznego. Deklinacja jest dodatnia (wschodnia), jeżeli igła magnetyczna odchyla się na wschód od południka geograficznego i ujemna (zachodnia), gdy igła odchyla się na zachód od południka geograficznego. W nawigacji lotniczej powszechnie używane są kierunki magnetyczne [1, 5]. Do określenia kursu posługujemy się busolą, która wskazuje kierunek bieguna magnetycznego Ziemi. Niestety, na położenie igły w busoli ma wpływ nie tylko ziemskie pole magnetyczne, ale także pole, które generuje się w jej pobliżu (wytworzone przez elementy samego statku powietrznego). Wszystkie te czynniki wpływają na odchylenie igły magnetycznej od południka magnetycznego (zjawisko zwane dewiacją busoli). Rys. 2. Rodzaje kursów stosowane w nawigacji [10]. 2. WYKORZYSTANIE SYSTEMÓW SATELITARNYCH W LOTNICTWIE Teoretycznie nawigacyjne systemy satelitarne mogą mieć zastosowanie we wszystkich fazach lotu [1, 12]. W przypadku odlotu, zastosowanie systemów GNSS wiąże się z większą elastycznością doboru trasy (zwłaszcza w przypadku zróżnicowanego ukształtowania terenu). Przelot po trasie przy wykorzystaniu technik satelitarnych związanych z nawigacją obszarową (RNAV) zapewnia dokładną nawigację. W fazie dolotu zastosowanie GNSS poprawia dostępność portu lotniczego poprzez umożliwienie lądowań przy niższych minimach, bez potrzeby instalacji kosztownych konwencjonalnych pomocy nawigacyjnych. Systemy satelitarnego pozycjonowania mogą zapewnić podejście z prowadzeniem w płaszczyźnie pionowej (APV) na wszystkich kierunkach lądowania. Podejścia APV oparte na wykorzystaniu GNSS dostępne są również w przypadku zmiany kierunku podejścia i lądowania (spowodowanego zmianą kierunku wiatru na niektórych lotniskach stanowi to do 20% operacji). Podejścia i lądowania APV I, APV II wykorzystują prowadzenie pionowe za pomocą systemu GNSS i systemów wspomagających. Monitoring ruchu na lotniskach w połączeniu z systemami przesyłania pozycji samolotu do systemów naziemnych, może być wykorzystany do wsparcia operacji ruchu naziemnego, zapewniając pozycjonowanie zarówno samolotów jak i pojazdów znajdujących się na lotnisku. Funkcje te są szczególnie przydatne w okresie ograniczonej widzialności na terenie lotniska. 746

4 Obecnie globalne systemy satelitarne zapewniają dokładność pomiaru horyzontalnego spełniającą wymagania stosowane w lotnictwie, lecz gorzej prezentuje się jakość wyznaczeń wysokości statku powietrznego. Dlatego opracowywane są systemy wspomagania nawigacji satelitarnej, które na określonych obszarach zwiększają dokładność oraz wiarygodność wskazań nawigacyjnych systemów satelitarnych, umożliwiając ich stosowanie w lotnictwie Satelitarne systemy wspomagające (SBAS) SBAS (ang. Satellite Based Augmentation System) stanowią systemy wspomagające GNSS poprzez przesyłanie do użytkowników wcześniej wyznaczonych danych poprawiając dokładność oraz zapewniając wiarygodność (przez satelity geostacjonarne) [4, 5]. Systemy SBAS zbudowane są z: sieci naziemnych stacji pomiarowo-obserwacyjnych, odbierających sygnały satelitów GNSS; stacji głównych (centralnych, nadzoru), przetwarzających sygnały ze stacji referencyjnych, oraz wyznaczających dane przesyłane do użytkowników; stacji utrzymujących łączność z satelitami; satelitów geostacjonarnych przekazujących dane ze stacji głównych do użytkowników. Rys. 3. Obszary działania systemów SBAS [12]. WAAS (ang. Wide Area Augmentation System) wspiera systemy GNSS na terenie USA [5, 12]. Segment naziemny systemu składa się z 38 współpracujących ze sobą stacji referencyjnych WRS (ang. Wide Area Reference Station). Ich zadaniem jest odbieranie sygnałów z satelitów i przesyłanie do stacji głównej, która to przetwarza dane i generuje informacje, które są transmitowane do satelitów geostacjonarnych. Wyznaczone dane, dzięki stacjom GUS (ang. Ground Uplink Station), są przekazywane do satelitów geostacjonarnych. Segment kosmiczny systemu obejmuje trzy satelity komunikacyjne wykorzystywane do przekazywania danych do użytkowników. EGNOS (ang. European Geostationary Navigation Overlay Service) jest europejskim systemem wspomagającym systemy nawigacji satelitarnej [5, 12]. Został on stworzony przez trzy instytucje: Komisję Europejską, Europejską Agencję Kosmiczną i EUROCONTROL. Jego zasada działania kształtuje się w sposób podobny do amerykańskiego systemu WAAS. Swoim zasięgiem obejmuje obszar Europy, a w dalszych planach także północną Afrykę. EGNOS służy zwiększeniu wiarygodności i dokładności wyznaczania położenia oraz jest źródłem informacji o czasie UTC. Jego zastosowanie w lotnictwie powinno umożliwić precyzyjne podejścia do lądowania odpowiadające podejściom ILS kategorii I. 747

5 Rys. 4. Rozmieszczenie stacji naziemnych EGNOS [12] Segment naziemny systemu składa się z czterech centrów nadzoru (MCC). Transmisja informacji ze stacji nadzoru do satelitów geostacjonarnych odbywa się za pośrednictwem sześciu stacji NLES (ang. Navigation Land Earth Station) rozmieszczonych we Francji, Włoszech, Wielkiej Brytanii, Niemczech, Portugalii i Hiszpanii. Dodatkowo dwie stacje wspomagające we Francji i Hiszpanii monitorują działanie systemu, a 39 stacji pomiarowo-obserwacyjnych RIMS (ang. Ranging and Integrity Monitoring Stations) zbiera pomiary z satelitów GPS i przesyła je do centrów nadzoru. Stacje RIMS rozmieszczone są na obszarze Europy, Afryki, Ameryki Południowej, Kanady oraz na Bliskim Wschodzie. Obecnie transmisja danych EGNOS do użytkowników odbywa się za pomocą dwóch satelitów geostacjonarnych Naziemne systemy wspomagające (GBAS) GBAS (ang. Ground Based Augmentation System) stanowią naziemne systemy wspomagające, które składają się ze stacji referencyjnych, centrum obliczeniowego oraz anten naziemnych wysyłających odpowiednie dane do użytkowników [12]. Polskim systemem, który można zaliczyć do grupy GBAS jest ASG-EUPOS, czyli Aktywna Sieć Geodezyjna EUPOS stworzona przez Główny Urząd Geodezji i Kartografii. Podstawowym założeniem budowy systemu było zbudowanie jednolitego geodezyjnego układu odniesień przestrzennych na terenie całej Polski, a także rozwój i wspieranie nowoczesnych technik pomiarów satelitarnych. ASG-EUPOS to sieć stacji referencyjnych rozmieszczonych równomiernie na obszarze kraju [7]. Dane zarejestrowane za pomocą stacji referencyjnych są transmitowane do centrum obliczeniowego. W skład ASG-EUPOS wchodzi 48 stacji z modułem GPS, 54 stacji z modułem GPS/GLONASS oraz 23 stacje zagraniczne. Centrum obliczeniowe wyznacza dane, które są przesyłane do użytkowników za pomocą sygnałów radiowych, Internetu bądź telefonii GSM. Transmisja danych pomiędzy stacjami systemu jest realizowana poprzez bezpieczne dedykowane połączenia teleinformatyczne. Użytkownicy mogą korzystać z następujących serwisów: KODGIS/NAWGIS - udostępniają w czasie rzeczywistym dane korekcyjne DGPS w formacie RTCM; NAWGEO - dostarcza w czasie rzeczywistym dane RTK w formatach RTCM/CMR; POZGEO/POZGEO D - przeznaczony jest do obliczeń w trybie post-processingu obserwacji systemów nawigacji satelitarnej. 748

6 Rys. 5. Schemat systemu ASG-EUPOS [7] 2.3. Pokładowy system wspomagający (ABAS) ABAS (ang. Aircraft Based Augmentation System) jest systemem wspomagającym systemy nawigacji satelitarnej [9, 12]. Jest on w stanie określić wiarygodność ich wskazań na podstawie informacji dostępnych na pokładzie statku powietrznego. Przykładem realizacji takiego systemu jest technologia RAIM (ang. Receiver Autonomus Integrity Monitoring) odbiornika GNSS. RAIM monitoruje wiarygodność sygnałów GPS oraz alarmuje w sytuacji utraty wymaganego stanu jakości nawigacji w danej fazie lotu (trasa/dolot/podejście). Oparty jest o algorytm FD (ang. Fault Detection), który pozwala na wykrycie błędnych wskazań jednego z satelitów przyjętych do obliczenia pozycji. Algorytm RAIM jest dostępny, przy wykorzystaniu w pozycjonowaniu minimum 5 satelitów, zapewniających satysfakcjonującą geometrię do obliczenia pozycji. Nowocześniejsze wersje RAIM wykorzystują algorytm FDE (ang. Fault Detection & Exclusion), dostępny przy minimum 6 dostępnych satelitach, który pozwala nie tylko na wykrycie błędnych wskazań satelity, ale również na jego wykluczenie z obliczeń pozycji nawigacyjnej co umożliwia kontynuację nawigacji bez alarmu RAIM. WNIOSKI Systemy satelitarne mogą mieć szerokie zastosowanie w nawigacji lotniczej. Obecne techniki pozycjonowania umożliwiają ich wdrożenie w każdej fazie lotu. Należy jednak pamiętać o tym, że wskazanie położenia statku powietrznego w czasie rzeczywistym musi być przede wszystkim bezpieczne dla zdrowia i życia ludzkiego. Dlatego bardziej istotna niż dokładność pozycjonowania jest jego wiarygodność, czyli miara prawdopodobieństwa, jakie może być przypisane poprawności informacji dostarczanych przez system nawigacyjny. Niezależnie w jakiej fazie lotu system jest stosowany, pilot powinien posiadać informacje na temat poprawności wskazań urządzeń nawigacyjnych. Coraz bardziej popularne staje się wykorzystanie w nawigacji lotniczej systemów SBAS. Europejski system EGNOS oferuje oprócz zwiększonej dokładności pozycjonowania, również informacje o jego wiarygodności. Jego zaletą jest fakt, że do wdrożenia nie potrzebuje dużych nakładów finansowych związanych z rozbudową istniejącej infrastruktury lotniczej. Streszczenie Artykuł prezentuje przegląd istniejących systemów nawigacji satelitarnej mających zastosowanie w lotnictwie. Zwięźle opisane zostały zalety ich stosowania z uwzględnieniem spełnienia niezbędnych wymogów związanych z ich wdrożeniem. Skupiono się na najbardziej popularnych systemach, które znajdują obecnie zastosowanie w nawigacji lotniczej na całym świecie. Krótko przedstawione zostały systemy typu SBAS (amerykański WAAS oraz europejski EGNOS), opisano GBAS oraz techniki autonomicznego pozycjonowania satelitarnego dopuszczone w nawigacji. Wskazane zostały zalety zastosowań systemów satelitarnych w nawigacji wraz z przekrojowymi zasadami ich działania. Zwrócono uwagę na rolę dokładności oraz wiarygodności w ich funkcjonowaniu wraz z przedstawieniem algorytmów monitorujących wartości tych parametrów. 749

7 Słowa kluczowe: GNSS, nawigacja satelitarna, bezpieczeństwo w lotnictwie, SBAS, GBAS The application of the satellite systems in the safe air navigation Abstract The article presents an overview of existing satellite navigation systems applicable in aviation. The advantages of their application were briefly described (taking into account the necessary requirements related to their implementation). Authors focused on the most common operating systems that are currently used in air navigation. The article presents the types of SBAS systems (American WAAS and European EGNOS), GBAS and the techniques related to satellite autonomous positioning allowed in navigation. The advantages of satellite systems applications in navigation with principles of their operation were described. Attention has been paid to the role of accuracy and integrity with the algorithms for monitoring values of these parameters. Keywords: GNSS, satellite navigation, safety in aviation, SBAS, GBAS BIBLIOGRAFIA 1. Baber K., Dokładność pozycjonowania statku powietrznego za pomocą smartfona. praca inżynierska, WSOSP w Dęblinie, Januszewski J., Systemy satelitarne GPS Galileo i inne. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Lamparski J., NAVSTAR GPS od teorii do praktyki. Wydawnictwo Uniwersytetu Warmińsko- Mazurskiego, Olsztyn Narkiewicz J., Globalny system pozycyjny GPS. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa Narkiewicz J., GPS i inne satelitarne systemy nawigacyjne. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa Specht C., System GPS. Wydawnictwo BERNARDINUM, Pelplin (Dostęp ) 8. (Dostęp ) 9. (Dostęp ) nss/ (Dostęp ) (Dostęp ) (Dostęp ) 750