WYMAGANIA STAWIANE RADIONAWIGACYJNYM SYSTEMOM POZYCYJNYM. Streszczenie

Transkrypt

1 kontradmirał dr inż. Czesław DYRCZ Akademia Marynarki Wojennej kmdr mgr inż. Henryk NITNER Biuro Hydrograficzne Marynarki Wojennej, SHM RP kmdr dr hab. inż. Cezary SPECHT Akademia Marynarki Wojennej WYMAGANIA STAWIANE RADIONAWIGACYJNYM SYSTEMOM POZYCYJNYM Streszczenie Wystawianie, testowanie i wykorzystanie systemów radionawigacyjnych ograniczone jest szeregiem wymagań formalnych określonych w dokumentach normatywnych na poziomie światowym rządowym i lokalnym. Konieczność ścisłej certyfikacji podyktowana jest zasadniczą ich funkcją związaną z zapewnieniem bezpieczeństwa procesowi nawigacji obiektów, związanego z przewozem ludzi. Systemy radionawigacyjne stosowane w nawigacji lotniczej, morskiej czy lądowej podlegają, na etapie uruchamiania oraz pracy, ocenie względem ściśle określonej przestrzeniu kryterialnej obejmującej zdefiniowane minimalne wartości miar: dokładności wyznaczenia położenia, częstotliwości wyznaczeń, dostępności, niezawodności, ciągłości, wiarygodności oraz strefy działania. W artykule dokonano klasyfikacji grup użytkowników, określono wymagania stawiane systemom radionawigacyjnym oraz wskazano na istotne cechy systemów z punktu widzenia ich eksploatacji. Analizę oparto o analizę literatury polskiej i światowej obejmującej narodowe, lokalne oraz światowe plany radionawigacyjne jak również inne regulacje prawne. 1. UŻYTKOWNICY SYSTEMÓW RADIONAWIGACYJNYCH Niezmiernie trudno dziś wskazać zamknięty zbiór użytkowników pozycyjnych systemów radionawigacyjnych. Wynika to z dwóch zasadniczych względów: techniki pomiarów z wykorzystaniem fal radiowych ulegają ciągłym zmianom przy praktycznie nieograniczonej inwencji użytkowników oraz ciągle postępująca informatyzacja życia powoduje, że możliwość uzyskania informacji i współrzędnych pozycji nie stanowi żadnego problemu. Skutkuje to tworzeniem różnych połączeń funkcjonalnych pomiędzy, często z pozoru, różnymi systemami pozycjonowania. Oba powyższe zagadnienia są bezpośrednio z sobą powiązane nowa technika pomiarowa powoduje pojawienie się kolejnych aplikacji systemu radionawigacyjnego i tak bez końca. Logiczną konsekwencją jest wniosek, 15

2 iż kolejna aplikacja systemu radionawigacyjnego wynika zarówno z jego możliwości technicznych jak i zapotrzebowania w różnorodnych dziedzinach techniki. Profesjonalni użytkownicy nawigacyjni nawigatorzy jeszcze do niedawna byli największą grupą wykorzystującą systemy radionawigacyjne. Znaczące zmiany w tej kwestii nastąpiły w ciągu ostatnich kilku lat, a podyktowane były upowszechnieniem tzw. nawigacji ogólnospołecznej obejmującej użytkowników nieprofesjonalnych wykorzystujących odbiorniki GNSS nawigacji lądowej (np. samochodowej). W tej grupie rozwijają się współcześnie równolegle dwa kierunki rozwiązań systemów GIS opartych o pozycjonowanie satelitarne. Pierwszy to aplikacje realizowane z wykorzystaniem telefonii komórkowej (rys. 1) natomiast drugi to autonomiczne systemy nawigacji pojazdów (rys. 2). Mln Europa USA Rys. 1. Prognozowany wzrost liczby telefonów komórkowych wyposażonych w odbiornik GNSS w Europie i USA Jednocześnie zwrócić należy uwagę, iż w zakresie rozwiązań GIS stosowane są dziś dwie znacząco odmienne strategie realizacyjne. Pierwsza z nich oparta jest o dynamicznie rozwijającą się platformę Google Maps, natomiast druga wykorzystuje dedykowane oprogramowanie GIS autorstwa różnych producentów. Niewątpliwie decydującym w tym zakresie był moment wyłączenia tzw. selektywnej dostępności w systemie GPS skutkujący wzrostem dokładności horyzontalnej ze 100 m (p = 0.95) do 13 m (p = 0.95) [4, 5]. 16

3 Mln Europa USA Rys. 2. Prognozowany wzrost liczby samochodów wyposażonych w odbiornik GNSS w Europie i USA Analiza głównego dokumentu opisującego charakterystyki eksploatacyjne standardowego serwisu pozycyjnego GPS [3, 4, 5, 6] potwierdza ciągłość procesu zwiększania dokładności (rys. 3). Szczegółową analizę ewolucji dokładności systemu GPS czytelnik odnajdzie w [10]. M [m] \2 2001\2 2002\2 2003\2 2004\2 2005\2 2006\2 2007\2 2008\2 2009\2 2010\2 Rys. 3. Tendencja zmiany dokładności horyzontalnej wyznaczenia pozycji serwisu SPS systemu GPS, po wyłączeniu SA maj 2000 r. [25] Podejmując się próby podziału użytkowników systemów radionawigacyjnych na jednorodne grupy, niezbędnym jest określenie możliwie najszerszego oraz jednolitego kryterium decyzyjnego. To zagadnienie z pozoru proste wymaga przyjęcia kompromisu, wynikającego z konieczności uwzględnienia aplikacji systemów radionawigacyjnych, które nie służą procesowi Nawigacji a związane są z pozycjonowaniem. Modelowym przykładem w tym względzie są zastosowania systemów GNSS w geodezji, gdzie wyznaczenie współrzędnych realizowane jest często w post-processingu. Ponadto w nawigacyjnych aplikacjach 17

4 lądowych czy geodezyjnych nie wyróżnia się faz procesu, a wymagania związane są z rodzajem zadania (nawigacyjnego lub wyznaczeń współrzędnych). Z tego względu wśród ogromnej rzeszy użytkowników systemów wyraźnie krystalizują się cztery ich grupy: nawigacja morska; nawigacja lotnicza; nawigacja lądowa; aplikacje nienawigacyjne. a) Nawigacja Morska jest grupą, w której nawigacyjne wykorzystanie technik radionawigacyjnych jest bardzo mocno historycznie ugruntowane. W stosunku do innych rodzajów nawigacji wymagania tej grupy w zakresie pozycjonowania mogą być całkowicie zaspokojone poprzez wykorzystanie technik kodowych GPS, a w razie konieczności uzyskiwani wyższych dokładności wyznaczeń pozycji przez kodową wersję różnicową zwaną DGPS. Proces nawigacji morskiej obejmuje następujące fazy: oceaniczną, na wodach przybrzeżnych, na podejściu i wejściu do portu oraz na wodach wewnętrznych. Podstawowymi systemami radionawigacyjnymi nawigacji morskiej są: GPS, DGPS, Glonass, Loran C, WAAS, EGNOS, Cospas/Sarsat, Racon, Radionamierzanie, Navtex, Radar/ARPA, Inmarsat, AIS i In.. Praktycznie każda jednostka morska jest dziś wyposażona w odbiornik GPS, umożliwiający określanie współrzędnych pozycji z dokładnością na poziomie kilku metrów i lepszej. Natomiast spora część użytkowników posiada odbiorniki DGPS umożliwiające wykorzystanie poprawek pseudo-odległościowych transmitowanych przez stacje odniesienia DGPS pokrywające swym zasięgiem wody przybrzeżne, dając dokładność określenia pozycji na poziomie submetrowym; b) Nawigacja Lotnicza jest najbardziej złożonym rodzajem nawigacji, ze względu na jej przestrzenny (3D) charakter oraz dużą dynamikę obiektu decydującą o konieczności równoległego śledzenia i przetwarzania znacznej liczby podprocesów. Proces nawigacji lotniczej obejmuje następujące fazy: trasową, terminalową, podejścia do lądowania i odejścia oraz lotniskową. Podstawowymi systemami radionawigacji lotniczej są: NDB, VOR, MLS, ILS, DME, Tacan, Loran C, Chayka, GPS, DGPS, Glonass, Cospas/Sarsat, WAAS, EGNOS, Radar. Stosowane tu metody pomiarowe muszą charakteryzować się relatywnie najmniejszymi błędami przy bardzo wysokiej ich wiarygodności. Faza trasowa i terminalowa mogła być zabezpieczana przez system GPS od początku jego istnienia. Natomiast najtrudniejsza część lotu podejście/lądowanie dopiero od kilku lat jest wspomagana systemami DGPS opartymi o transmisję telemetryczną z wysokimi przepływnościami binarnymi (szybkościami transmisji). Współcześnie zasadniczym problemem jest uzyskiwanie wysoko precyzyjnej informacji o wysokości (w ramach kategorii ICAO:. I, II, III) oraz wymaganej bardzo wysokiej dostępności i wiarygodności systemu. Można stwierdzić, że w przeciwieństwie do nawigacji morskiej o procedury 18

5 wykorzystania GPS w aplikacjach lotniczych są wciąż na etapie bardzo dynamicznego rozwoju; c) Nawigacja Lądowa niegdyś oparta tylko o atlas samochodowy, natrafiła dzięki GPS na niezmiernie podatny grunt dla rozwoju. Popularność i powszechność tego środka transportu, szczególnie osobowego, przyczynia się walnie do powstawania nowych systemów nawigacji lądowej oraz nowoczesnych systemów zarządzania przewozem towarów (transport towarowy). W ramach nawigacji lądowej można wydzielić następujące jej rodzaje obejmujące: autostrady, kolej i tranzyt. Mimo, że to najmłodsza z nawigacyjnych aplikacji GPS, postrzegana jest dziś jako najbardziej dynamicznie rozwijająca się jej dziedzina, ze względu na praktycznie nieograniczony rynek konsumentów. Wyposażanie seryjnie produkowanych samochodów w zintegrowany system nawigacyjny wsparty miernikami kierunku, prędkości, mapę wektorową oraz odbiorniki GPS, świadczy przyszłościowo o głównym kierunku komercyjnego rozwoju tego systemu; d) Użytkownicy aplikacji nienawigacyjnych stanowią bardzo szeroką choć niejednorodną grupę związaną ze specjalistycznymi zastosowaniami pomiarowymi, cechującą się zapotrzebowaniem na wysoce dokładne współrzędne pozycyjne, otrzymywane najczęściej technikami względnymi GNSS. W przeciwieństwie do aplikacji nawigacyjnych wykorzystują często techniki post-processingowe. Realizowane w ten sposób pozycjonowanie nie służy procesowi prowadzenia nawigacji, lecz jest metodą zbierania materiału do dalszego (często kameralnego) przetwarzania. W tym przypadku czas do pierwszego określenia pozycji odgrywa jedynie funkcję ekonomiczną, dając możliwość szybszego powtórzenia sesji pomiarowej w przypadku niepowodzenia. Do aplikacji nienawigacyjnych należą: geodezja i miernictwo, kartografia, rolnictwo i eksploatacja zasobów naturalnych, geofizyka, meteorologia oraz pomiary czasu i częstotliwości. Na rysunku 4 przedstawiono próbę systematyki faz nawigacji realizowanych przez użytkowników radionawigacyjnych aplikacji lotniczych, i morskich oraz wyszczególniono rodzaje aplikacji lądowych i nienawigacyjnych pozbawionych zdefiniowanych faz. Należy tu podkreślić, iż pomimo braku jednolitości kryteriów poszczególne aplikacje nienawigacyjne posiadają analogicznie zróżnicowane wymagania szczególnie w zakresie dokładności wyznaczeń współrzędnych wyznaczenia pozycji obiektów. 19

6 Rys. 4. Klasyfikacja użytkowników systemów radionawigacyjnych Dla przykładu można przytoczyć instrukcję techniczną O-1 dotyczącą ogólnych zasad wykonywania prac geodezyjnych [11], gdzie w rozdziale III odnajdujemy zalecenie, iż pomiar sytuacyjny położenia szczegółów terenowych względem poziomej osnowy geodezyjnej powinien być wykonany z następującą dokładnością: dla I grupy szczegółów terenowych ± 0.10 m; dla II grupy szczegółów terenowych ± 0.30 m; dla III grupy szczegółów terenowych ± 0.50 m. W kolejnych rozdziałach artykułu zdefiniowane zostaną szczegółowe wymagania dla każdej z przedstawionych powyżej grup użytkowników systemów radionawigacyjnych. 20

7 2. KRYTERIA PORÓWNAWCZE SYSTEMÓW RADIONAWIGACYJNYCH Wymagania formalne dla procesu nawigacji obiektów są każdorazowo określane w oparciu o możliwości zapewnienia serwisu oraz realizacji zadania nawigacyjnego przez użytkownika. Ich określenie leży w kompetencjach agencji światowych i rządowych i resortowych. Proces określania minimalnych wymagań serwisów pozycyjnych jest procesem ciągłym stąd podczas ich definiowania bierze się pod uwagę [25]: akceptowalny poziom ryzyka nawigacyjnego użytkownika, przy uwzględnieniu możliwości zapewnienia serwisu przez jego dostawcę; aspekt ekonomiczny opłacalności dostawcy serwisu radionawigacyjnego umożliwiający efektywne finansowo przesyłanie sygnału oraz utrzymania infrastruktury systemu; całkowity koszt przedsięwzięcia (rozwinięcia systemu) z punktu widzenia instytucji państwowej lub dostawcy komercyjnego uwzględniający możliwości budżetowego finansowania i utrzymania serwisów. Ocena parametryczna systemów nawigacyjnych stanowi w ostatnim dziesięcioleciu zasadniczą metodę ich klasyfikacji jakościowej. Obejmuje ona ustaloną przestrzeń kryterialną, która jest w bezpośrednim związku z wymaganiami nawigacyjnymi stawianymi różnorodnym jej formom. Kryteria porównawcze systemów nawigacyjnych prezentowane powszechnie w literaturze światowej [2, 9, 12, 15, 22, 24] i polskiej [1, 7, 8, 17, 19] ulegają na przestrzeni lat przewartościowaniu wraz z rozwojem technologicznym oraz potrzebami procesu nawigacji, przy jednoczesnej zmianie rang poszczególnych z nich. Analiza kryteriów pozwala wyodrębnić wśród nich 3 grupy, które odpowiadają poszczególnym fazom rozwoju systemów pozycjonowania na przestrzeni lat (rys. 5) a są nimi: kryteria pozycyjne charakteryzujące system w zakresie jakości określenia pozycji. Obejmują one 3 miary dokładności określenia pozycji (odtwórczą, powtarzalną, względną), oraz częstotliwość, jednoznaczność i wymiarowość wyznaczeń; kryteria niezawodnościowe stanowią odrębną grupę wskaźników odnosząc się do charakterystyk eksploatacyjnych systemów. Należą do nich niezawodność, dostępność i ciągłość; kryteria bezpieczeństwa eksploatacji związane z zapewnieniem użytkownikowi bieżącej informacji o jakości (stanie) pracy systemu zapewniając w ten sposób odpowiedni poziom ich użytkowania. Jedynym, jak na razie, z tej grupy kryterium jest wiarygodność (ang.: integrity) charakteryzowana przez całą gamę zmiennych takich jak czas do alarmu, prawdopodobieństwo fałszywego alarmu i in. 21

8 rok 1990 rok 1995 rok 2000 rok 2010 Dokładność określenia pozycji Częstość określenia pozycji Pojemność systemu Jednoznaczność wyznaczeń Wymiarowość pozycji Strefa działania Dostępność Niezawodność Ciągłość Wiarygodność Rys. 5. Kryteria porównawcze systemów nawigacyjnych i ich rola na przestrzeni ostatnich lat Obserwując tendencje zmian istotności kryteriów porównawczych systemów nie sposób nie dostrzec ich bezpośredniego związku z kolejnymi faza ewolucji satelitarnych systemów pozycjonowania (GPS, Glonass), które zdominowały współczesną nawigację. Pierwsza z rozważanych grup kryteria pozycyjne stanowiły do początku lat 90. główne charakterystyki eksploatacyjne [17]. Działające ongiś systemy charakteryzowała relatywnie niska dokładność jak i częstotliwość wyznaczeń (Omega, Loran, Decca, Transit) oraz niejednokrotnie pozbawione były jednoznaczności pomiarów (Loran C, Decca). Stąd też miary pozycyjne były zasadniczymi, jak nie w większości wypadków jedynymi, charakterystykami takich systemów. Od drugiej połowy lat 90., gdy system GPS został ogłoszonym w pełni operacyjnym zapewniając tym spełnienie praktycznie wszystkich wymagań nawigacyjnych użytkowników w zakresie dokładności wyznaczeń, problematyka badawcza związana z kryteriami pozycyjnymi została powiązana z grupę kryteriów o niezawodnościowej genezie. Początkowo dostępność i niezawodność [13] a potem ciągłość [24] określane w stosunku do różnych struktur funkcjonalnych systemów umożliwiły ocenę zdolności systemu do bezawaryjnej pracy, a tym samym dały możliwość odniesienia ich charakterystyk do czynników efektywnościowo-ekonomicznych. Trzecia z grup związana z bezpieczeństwem użytkowania systemów jawi się jako wyjątkowo dynamicznie rozwijająca się problematyka badawcza początku XXI wieku w nawigacji. Bez wątpienia wiarygodność można porównać do bieżącej diagnostyki funkcjonalnej, która wydaje się być synonimem nowoczesność we wszystkich współczesnych dziedzinach techniki. 22

9 3. WYMAGANIA STAWIANE SYSTEMOM RADIONAWIGACJI MORSKIEJ Główną organizacją odpowiadającą za zabezpieczenie bezpieczeństwa morskiego jest Międzynarodowa Organizacja Morska (International Maritime Organisation IMO) publikująca szereg zaleceń i wytycznych celem jego podniesienia. Należy podkreślić, iż stosowne rekomendacje IMO wymagają, na poziomie krajowym, przełożenia na rozporządzenia Ministerstwa infrastruktury poprzez zarządzenia Dyrektorów Urzędów Morskich (Gdynia, Słupsk, Szczecin). W oparciu o założenia konwencji SOLAS (Safety Of Life At Sea) z 1974 roku Międzynarodowa Organizacja Morska w 1989 opublikowała rezolucję A.666(16), w której opisano założenia i procedury, którym powinny być poddane systemy radionawigacyjne dla wykorzystania międzynarodowego. Jednocześnie zmodyfikowana ostała konwencja SOLAS w zakresie minimalnych wymagań stawianych odbiornikom GNSS. Rezolucją A.529(13) zdefiniowano związek pomiędzy dokładnościami wyznaczenia pozycji w jednej z dwóch faz żeglugi (podejście i wejście do portu oraz inne akweny) oraz odległością od niebezpieczeństwa nawigacyjnego. Rezolucja A.666(16) dotycząca globalnych systemów radionawigacyjnych została uzupełniona przez rezolucje: A.815(19) oraz A.529(13) specyfikując wymagania certyfikacyjne dla globalnych systemów radionawigacyjnych oraz proces weryfikacyjny. Tabela 1 Faza nawigacji morskiej Dokładność absolutna Błąd horyzont. (m) Minimalne wymagania stawiane systemom radionawigacji satelitarnej [14] Poziom parametrów systemu Limit dla alarmu (m) Wiarygodność Czas do alarmu (s) Ryzyko wiarygodności (3 godz.) Poziom parametrów serwisu Dostępność (%/30 dni) Ciągłość (%/3 godz.) Strefa działania Oceaniczna globalna Przybrzeżna globalna Podejście do portu/ Akweny regionalna ograniczone Port lokalna śródlądowe regionalna Kolejnym dokumentem umożliwiającym certyfikację systemów GNSS jako globalne systemy radionawigacyjne (World Wide Radionavigation Systems WWRNS) stała się rezolucja A.860(20) [15] uzupełniona przez rezolucję A.915(22) z 2001 roku. Zawarto w niej znacząco rozszerzoną listę wymagań dla 23

10 morskiej działalności ludzkiej obejmującą m.in. automatyczne dokowanie, żeglugę w lodach, oznakowanie nawigacyjne i pomiary hydrograficzne. W poniższej tabeli zestawiono wymagania dla systemów Nawigacji Satelitarnej wykorzystywanych w nawigacji morskiej [IMO 2001]. Działalność ludzką na obszarach morskich można sprowadzić do czterech podstawowych dziedzin, a mianowicie [17] gospodarczej, badawczej, rekreacyjno-sportowej, obronnej. Realizowanymi na omawianym akwenie rodzajami działalności w wyżej wymienionych dziedzinach są: w dziedzinie gospodarczej: transport morski, rybołówstwo, prace specjalne (inżynierskie, hydrotechniczne, czerpalne, układanie kabli i rurociągów, prace pomocnicze, usługowe i inne), eksploatacja zasobów naturalnych dna morskiego, ochrona środowiska naturalnego, poszukiwanie i ratownictwo, prace hydrograficzne, systemy nadzoru ruchu statków, pilotaż (w tym pełnomorski); w dziedzinie badawczej: badania oceanograficzne (fizyczne i chemiczne), badania biologiczne, badania geologiczne, badania geofizyczne, meteorologiczne i hydrologiczne; w dziedzinie rekreacyjno-sportowej: żeglarstwo, turystyka wodna, nurkowanie i sporty wodne; w dziedzinie obronnej: obrona granic morskich i obszarów morskich przed działalnością przestępczą, działania sił marynarki wojennej w jej strefie operacyjnej. W ramach procesu nawigacji morskiej można wyróżnić 4 zasadnicze fazy jej prowadzenia: na wodach wewnętrznych, podejściu i wejściu do portu, na wodach przybrzeżnych ora żegluga oceaniczna. Każdej z faz przyporządkowuje się określone wartości parametrom eksploatacyjnym systemów wykorzystywanych dla nawigacyjnego zabezpieczenia działalności ludzkiej na morzu. Nawigacja na wodach wewnętrznych odbywa się w oparciu o optyczne stałe i pływające oznakowanie nawigacyjne. Statki na podejściach do portów i przystani wykorzystują pływające oznakowanie torów i systemy nabieżników. Należy uznać, że wymagania dla nawigacji na tych obszarach są w swych wymaganiach zbliżona jest do fazy podejścia i wejścia do portu. Należy również uwzględnić tu fakt iż realizowana jest niejednokrotnie na jednostkach nieposiadających klas morskich, realizujących długotrwałe rejsy. Drugą grupą użytkowników wód śródlądowych (wewnętrznych) są pełnomorskiej jednostki, które na podejściach do portów lub kanałach realizują tę fazę nawigacji. Różnica pomiędzy jednostkami w pływającymi po wodach wewnętrznych związana jest jedynie z ich typem, co z kolei wiąże się z wymaganiami dla załóg, charakterystyk manewrowych i wyposażenia. Nie sposób tu pominąć jednostek rekreacyjnych względem których stosuje się znacząco obniżone wymagania, zarówno pod względem kwalifikacji załogi jak i oprzyrządowaniem nawigacyjnym. W poniższej tabeli zestawiono minimalne wymagania dla żeglugi na wodach wewnętrznych. 24

11 Wymagania dla żeglugi na wodach wewnętrznych [24] Tabela 2 Dokładność Wymagania Przewidywana Powtarzalna SD D N FR W P Bezpieczeństwo nawigacji (wszystkie jednostki) 2-5 m 2-5 m wewnętrzne 99.9% * 1-2 s 2D Bezpieczeństwo nawigacji (jednostki rekreacyjne) 5-10 m 5-10 m wewnętrzne 99.9% * 5-10 s 2D Inżyniera rzek i budownictwo jednostek 0.1**-5 m 0.1**-5 m wewnętrzne 99% * 1-2 s 2D lub 3D Oznaczenia: SD strefa działania, D dostępność, N niezawodność, FR częstotliwość pozycji, W wymiarowość pozycji, P pojemność systemu. U w a g i: * Zależy od czasu rejsu. ** Dokładność w wyznaczeniu wysokości. Na podejściu i wejściu do portu realizowana jest przez jednostki od momentu wejścia w portowe strefy rozgraniczenia ruchu. Wymaga ono ściśle określonych procedur zarówno organizacyjnych jak i nawigacyjnych. Wydzielone tory podejściowe dla dużych jednostek posiadają szerokość: m. Dla torów średniej wielkości wartość ta wynosi ok m, natomiast dla portów małych i przystani ok. 30 m. Ta faza pływania związana jest z występowaniem przeszkód nawigacyjnych w bezpośredniej bliskości trasy ruchu i z ryzykiem zderzenia z napotkanymi statkami. Z punktu widzenia wymagań faza ta dotyczy wysokich wymagań dla serwisów nawigacyjnych. 25

12 Wymagania dla żeglugi na podejściu i wejściu do portu [24] Tabela 3 Wymagania Bezpieczeństwo nawigacji (duże jednostki) Bezpieczeństwo nawigacji (małe jednostki) Przewidywana (2drms) 8-20 m *** Dokładność Powtarzalna (2drms) 8-20 m 8-20 m Eksploracja dna 1-5 m* 1-5 m* Inżynieria morska i budownictwo jednostek Rybołówstwo, rekreacja i inne małe jednostki 0.1****- 5 m 0.1****- 5 m 8-20 m 4-10 m SD D N FR W P Podejścia i wejścia do portów Podejścia i wejścia do portów Podejścia i wejścia do portów Podejścia i wejścia do portów Podejścia i wejścia do portów 99.7% ** 6-10 s 2D 99.9% ** *** 2D 99% ** 1 s 2D 99% ** 1-2 s 2D lub 3D 99.7% ** *** 2D U w a g i: * Zależy od wymagań użytkownika. ** Zależy od czasu rejsu. *** Zależy od portu. **** Dokładność wertykalna. Nawigacja na wodach przybrzeżnych realizowana jest na akwenach, których odległość do brzegu wynosi poniżej 50 Mm lub ich głębokość nie przekracza 200 m. Do akwenów przybrzeżnych zalicza się również obszary dla których ustanowiono systemy nadzoru, kontroli i rozgraniczenia ruchu. Na morskich akwenach RP zbiegają się tu drogi morskie statków idących do portów Bałtyku Południowego. W strefie tej występują przeszkody nawigacyjne oznakowane pływającymi i stałymi znakami nawigacyjnymi. 26

13 Wymagania dla żeglugi na wodach przybrzeżnych [24] Tabela 4 Wymagania Bezpieczeństwo Nawigacji (wszystkie jedn.) Bezpieczeństwo Nawigacji (jednostki rekreacyjne i inne małe jednostki) Rybołówstwo komercyjne (w tym sportowe) Przewidywana (2drms) 0.25 Mm (460 m) Mm ( m) 0.25 Mm (460 m) Dokładność Powtarzalna (2drms) m ( ft) Eksploracja dna m* m* Poszukiwanie i ratownictwo, ochrona prawa Rekreacja, sport, wędkarstwo U w a g i: 0.25 Mm (460 m) 0.25 Mm (460 m) m ( ft) m ( ft) * Zależy od wymagań użytkownika. ** Zależy od czasu rejsu. SD D N FR W P przybrzeżne przybrzeżne przybrzeżne przybrzeżne przybrzeżne przybrzeżne 99.7% ** 2 min 2D 99% ** 5 min 2D 99% ** 1 min 2D 99% ** 1 s 2D lub 3D 99.7% ** 1 min 2D 99% ** 5 min 2D Nawigacja oceaniczna dotyczy akwenów których odległość do brzegu wynosi powyżej 50 Mm lub ich głębokość przekracza 200 m. Ze względu na rozległe akweny pływania wymagania w zakresie systemów nawigacyjnych są tu najniższe. Systemy pozycjonowania oparte o infrastrukturę lądową są tu praktycznie niewykorzystywane. Pojemność systemu nieograniczona ilość użytkowników. 27

14 Wymagania dla żeglugi na wodach oceanicznych [24] Tabela 5 Wymagania Bezpieczeństwo nawigacji (wszystkie jednostki) Duże jednostki (maksymalna efektywność) Eksploracja zasobów naturalnych Operacje poszukiwania U w a g i: Przewidywana (2drms) 2-4 Mm* ( km) Minimum 1-2 Mm ( km) pożądany Mm* ( ) Dokładność Powtarzalna (2drms) m* m* Mm ( m) 0.25 Mm * Zależy od wymagań użytkownika. ** Zależy od czasu rejsu. Względna (2drms) 0.1 Mm (185 m) SD D N FR W światowe światowe, z wyjątkiem polarnych światowe narodowej odp. SAR 99%, co najmniej dla każdych 12 godzin ** 15 minut lub mniej pożądane, maksymalnie co 2 h 2D 99% ** 5 min 2D 99% ** 1 min 2D 99% ** 1 min 2D 4. WYMAGANIA STAWIANE SYSTEMOM RADIONAWIGACJI LOTNICZEJ Nawigacja powietrzna (lotnicza) jest procesem pilotowania statku powietrznego z jednego miejsca do drugiego uwzględniająca wyznaczanie położenia, orientację przestrzenną obiektu, określanie kursu i odległości do punktu docelowego oraz określanie odchylenia od ustalonej trasy [24]. Użytkowników przestrzeni powietrznej można jednoznacznie podzielić na dwie odrębne kategorie obejmujące lotnictwo cywilne i państwowe. Podział i rodzaje działalności lotniczych zaprezentowano na rys. 7. Wymagania dla serwisów związane są z fazą lotu, odległością od Ziemi i innych statków powietrznych oraz procesem kontroli ruchu powietrznego. Kryterium widzialności Ziemi skutkuje podziałem nawigacji lotniczej na dwa rodzaje. Nawigacja z widzialnością ziemi VFR (Visual Flight Rules VFR) jest oparta o widoczne punkty odniesienia i często dotyczy prowadzenia statku powietrznego poniżej poziomu FL 180 (Flight Level) i jest wymagana dla trybu przepisów wykonywania lotów wg wskazań przyrządów (Instrument Flight Rules). Nawigacja VFR (z widzialnością Ziemi) oparta jest na wizualnych referencjach do obiektów naziemnych takich jak rzeki, góry, drogi itp. 28

15 Jednocześnie wymagane są warunki meteorologiczne zapewniające minimalne wartości widzialność i odległość od chmur (VMC). Jest ona wykorzystywana przede wszystkim w lotnictwie prywatnym i turystycznym. Nawigacja IFR (wg wskazań przyrządów) oparta jest na referencjach dostarczonych przez urządzenia pokładowe statku powietrznego. Pilot prowadzi statek powietrzny po określonej trajektorii, bez potrzeby odnoszenia się do obiektów zewnętrznych, a wykorzystuje wskazania urządzeń dla bieżącego prowadzenia procesu nawigacji. Rys. 6. Podział użytkowników przestrzeni powietrznej W zakresie faz lotu, w lotnictwie cywilnym rozróżnia się następujące operacje lotnicze: lot po trasie, lot w terminalu, podejście początkowe, podejście do lądowania oraz odlot po starcie [1]. Zdefiniowane przez ICAO (Międzynarodową Organizację Lotnictwa Cywilnego) wymagania dla podejścia nieprecyzyjnego (NPA) oraz precyzyjnego (PA) w kategoriach: CAT I, II, III (A, B, C). Podejścia nieprecyzyjne bazują na wykorzystaniu systemów nawigacyjnych typu NDB, VOR i DME natomiast podejścia precyzyjne wykorzystują systemy ILS oraz MLS. Nawigacja trasowa (oceaniczna i kontynentalna), ze względu na niskie zagęszczenie ruchu posiada znacząco, względem pozostałych operacji lotniczych, zaniżone wymagania w zakresie minimalnych charakterystyk eksploatacyjnych systemów. Stąd szczególnego omówienia wymagają operacje podejścia i lądowania. Operacje podejścia i lądowania wg wskazań przyrządów są sklasyfikowane następująco [16]: 29

16 podejścia nieprecyzyjnego i lądowania to podejście i lądowanie wg wskazań przyrządów, gdy użyte jest naprowadzanie poziome, ale nie jest użyte naprowadzanie pionowe; podejścia i lądowania z naprowadzaniem pionowym to podejście i lądowanie wg wskazań przyrządów z użyciem naprowadzenia poziomego i pionowego, ale nie spełniające wymagań ustalonych dla podejścia precyzyjnego i lądowania; podejścia precyzyjnego i lądowania to podejście i lądowanie wg wskazań przyrządów z użyciem precyzyjnego poziomego i pionowego naprowadzania zgodnie z minimami wynikającymi z kategorii operacji. Operacje precyzyjnego podejścia i lądowania podzielono w sposób następujący [16]: Operacja Kategorii I (CAT I). Precyzyjne podejście i lądowanie wg wskazań przyrządów, przy: wysokości decyzji nie mniejszej niż 60 m (200 stóp); oraz widzialności nie mniejszej niż 800 m lub zakresie widzialności na drodze lądowania (RVR) nie mniejszym niż 550 m; Operacja w Kategorii II (CAT II). Precyzyjne podejście wg wskazań przyrządów i lądowanie przy: wysokości decyzji mniejszej niż 60 m (200 stóp), ale nie większej niż 30 m (100 stóp); oraz widzialności na drodze startowej nie mniejszej niż 300 m; Operacja w Kategorii III A (CAT III A). Precyzyjne podejście wg wskazań przyrządów i lądowanie przy: wysokości decyzji mniejszej niż 30 m (100 stóp) lub braku wysokości decyzji; oraz widzialności na drodze startowej (RVR) nie mniejszej niż 175 m; Operacja w Kategorii III B (CAT III B). Precyzyjne podejście wg wskazań przyrządów i lądowanie przy: wysokości decyzji mniejszej niż 15 m (50 stóp) lub braku wysokości decyzji; oraz widzialności wzdłuż drogi startowej (RVR) mniejszej niż 175m, ale nie mniejszej niż 50 m; Operacja w Kategorii III C (CAT III C). Precyzyjne podejście wg wskazań przyrządów i lądowanie w warunkach braku wysokości decyzji i widzialności wzdłuż drogi startowej (RVR). Należy zauważyć, iż jeżeli wartości wysokości decyzji (DH) i zakresu widzialności na drodze startowej (RVR) należą do różnych kategorii operacji, operacje podejścia wg wskazań przyrządów i lądowania należy wykonywać zgodnie z wymaganiami kategorii nakładającej najbardziej rygorystyczne wymagania (np. operację, gdzie wartość DH należy do zakresu przewidzianego dla CAT III A, ale wartość RVR należy do zakresu przewidzianego dla CAT III B należy uważać za operację CAT III B; zaś w przypadku wartości DH z zakresu CAT II, a wartości RVR z zakresu CAT I operację należy uznać za operacje CAT II). 30

17 Polska jako państwo sygnatariusz Konwencji ICAO zobowiązane są zgodnie z art. 37 i 38 stosować SARPs (Standardy i Zalecane Praktyki) lub powiadomić o odstępstwach w zakresie SARPs. W chwili obecnej w SARPs (Załącznik 10, Tom 1 do Konwencji ICAO) zdefiniowano wymagania dla systemów GLONASS i GPS wykorzystujących częstotliwość L1. Ponadto ICAO zdefiniowała wymagania dla systemów ABAS (Aircraft Based Augmentation System) i SBAS (Satellite Based Augmentation System) oraz GBAS (Ground Based Augmentation System). Możliwości wykorzystania systemów GNSS oraz ich wersji różnicowych (GPS, GLONASS, SBAS, GBAS) spowodowało zdefiniowanie dwóch dodatkowych typów podejść z naprowadzeniem pionowym APV (wygania pośrednie pomiędzy NPA oraz PA): Baro-VNAV podejście wykorzystujące prowadzenie pionowe z wysokościomierza barometrycznego wchodzącego w skład FMS (Flight Management System) samolotu. Rozwiązanie takie wymaga zastosowania odpowiedniego komputera pokładowego; APV I, APV II podejścia wykorzystujące prowadzenie pionowe z systemu SBAS GNSS. W obu przypadkach pozycja w płaszczyźnie poziomej wyznaczana jest przez odbiornik GNSS. Ujednolicone wymagania w zakresie charakterystyk eksploatacyjnych serwisów nawigacyjnych ewoluują na przestrzeni lat. Są one Określane przez ICAO. W tabeli 6 zaprezentowano obowiązujące światowo i w Polsce minimalne ich wartości. Tabela 6 Rodzaj operacji Trasowa Wymagania ICAO dla nawigacyjnego zabezpieczenia operacji lotniczych [16] Dokładność Horyzontalna (p = 0.95) (uwaga 1 i 3) Dokładność wertykalna (p = 0.95) (uwaga 1 i 3) Wiarygodność (uwaga 2) Czas do alarmu (uwaga 3) Ciągłość (uwaga 4) Dostępność (uwaga 5) E 3.7 km Nie 4/h E 7/h 5 min (2.0 NM) określono do E 8/h Trasowa, terminalowa Podejście początkowe, pośrednie, nieprecyzyjne (NPA), odlot Podejścia do lądowania z pionowym naprowadzaniem wg APV I 0.74 km (0.4 NM) 220 m (720 ft) 16.0 m (52 ft) Nie określono Nie określono 20 m (66 ft) E 7/h E 7/h E 7 na podejście 15 s 10 s 10 s E 4/h do E 8/h E 4/h do E 8/h E 6 w dowolnych 15 s 0.99 do do do do

18 32 cd. tabeli Podejścia do lądowania z pionowym naprowadzaniem wg (APV II) Podejście precyzyjne wg CAT I 16.0 m (52 ft) 16.0 m (52 ft) 8.0 m (26 ft) 6.0 m do 4.0 m (20 ft do 13 ft) E 7 na podejście E 7 na podejście 6 s 6 s E 6 w dowolnych 15 s E 6 w dowolnych 15 s 0.99 do do U w a g i: 1. Odnosi się do błędu wyznaczenia pozycji z prawdopodobieństwem 0.95 wystąpienia wartości mniejszej niż wartość graniczna. 2. Definicja wiarygodności dotyczy wartości granicznej alarmu. 3. Wymagania dokładności i czasu do alarmu zawierają nominalne warunki pracy odbiornika. 4. Zakresy wartości dla wymagań ciągłości dla zależą od kilku zmiennych: gęstość ruchu, złożoność przestrzeni powietrznej, dostępność alternatywnych systemów nawigacyjnych. Najniższe wartości odnoszą się do obszarów o niskiej gęstości ruchu powietrznego i niskiej złożoności przestrzeni powietrznej. Wartości wyższe dotyczą dużej gęstości ruchu powietrznego i dużej złożoności przestrzeni powietrznej. 5. Zakres wymagań dostępności zależy od: częstotliwości operacji powietrznych, warunków meteorologicznych, okresów przerw w pracy systemów, dostępności innych systemów nawigacyjnych, zasięgu pokrycia radarowego, gęstości ruchu powietrznego i innych procedur. Konieczność zapewnienia wiarygodności procesowi nawigacji lotniczej skutkuje potrzebą określenia związku pomiędzy błędem wyznaczenia pozycji w płaszczyznach horyzontalnej i wertykalnej a wartościami generującymi alarm. Tabela 7 Związek pomiędzy błędem wyznaczenia pozycji w płaszczyznach horyzontalnej i wertykalnej a wartościami generującymi alarm Rodzaj operacji Trasowa (oceaniczna, kontynentalna niskie natężenie ruchu) Limit graniczny horyzontalny Limit graniczny wertykalny 7.4 km (4 NM) Nie określono Trasowa (kontynentalna) 3.7 km (2 NM) Nie określono Trasowa, terminalowa 1.85 km (1 NM) Nie określono Podejścia nieprecyzyjne wg NPA 556 m (0.3 NM) Nie określono Podejścia do lądowania z pionowym naprowadzaniem wg (APV-I) Podejścia do lądowania z pionowym naprowadzaniem wg (APV-II) Podejście precyzyjne wg CAT I 40 m (130 ft) 50 m (164 ft) 40.0 m (130 ft) 20.0 m (66 ft) 40.0 m (130 ft) 15.0 m to 10.0 m (50 ft to 33 ft) W Polsce, zgodnie z ustawą Prawo Lotnicze [20], dla zwiększenia bezpieczeństwa i efektywności działania lotnictwa cywilnego minister właściwy do spraw transportu może, w drodze rozporządzenia, wprowadzić do stosowania

19 wymagania międzynarodowe o charakterze specjalistycznym, w tym dotyczące bezpieczeństwa lotnictwa, budowy i eksploatacji statków powietrznych oraz urządzeń i infrastruktury naziemnej, ustanawiane w szczególności przez: Organizacje Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego (ICAO); Europejską Konferencję Lotnictwa Cywilnego (ECAC), w tym Zrzeszenie Władz Lotniczych (JAA); Europejską Organizację do Spraw Bezpieczeństwa Żeglugi Powietrznej (EUROCONTROL); Europejską Agencję Bezpieczeństwa Lotniczego (EASA). Sieć lotnisk komunikacyjnych w Polsce jest ponad 6-krotnie rzadsza niż w rozwiniętych krajach europejskich, co oznacza, że tys. mieszkańców przypada na jedno lotnisko, podczas gdy średnia dla państw Unii Europejskiej wynosi osób. Dla porównania, w Niemczech przypada osób na lotnisko komunikacyjne, Finlandii , Szwecji i Danii Powierzchnia kraju przypadająca na 1 lotnisko komunikacyjne jest ok. 6-krotnie większa niż w EU. W Polsce, 1 lotnisko komunikacyjne przypada na km² podczas gdy dla EU odpowiednio km² [21]. Wzrost gęstości ruchu lotniczego w Europie zakłada potrzebę wzrostu pojemności przestrzeni do obsługi ruchu lotniczego bez dodatkowych opóźnień o 20-25% w ciągu najbliższych 2 lat. Dla niektórych obszarów Europy (w tym dla Polski) szacuje się że potrzeby wzrostu pojemności przestrzeni powietrznej w ciągu ubiegłych 6 lat był na poziomie %. Notowany w ostatnich latach stały i równocześnie większy od prognozowanego wzrost ruchu lotniczego w FIR Warszawa przy obecnym stanie infrastruktury nawigacyjnej, organizacji służb i zagęszczeniu przestrzeni zaczyna powodować rosnące opóźnienia ruchu lotniczego. Z uwagi na obecny i prognozowany wzrost ruchu lotniczego oraz rozwój transportu lotniczego w Polsce, w najbliższych latach planuje się podjąć szereg działań zmierzających do zwiększenia jego efektywności. W zakresie radionawigacyjnej infrastruktury naziemnej przewiduje się m.in. [21]: Zdefiniowano wymagania dla lotnisk i organów służb kontroli ruchu lotniczego. Dla lotnisk powyżej kategorii D (zgodnie z klasyfikacja UE) lotnisko wymaga kontroli ruchu lotniczego (TWR) oraz instrumentalnych procedur podejścia precyzyjnego CAT I, APV (LNAV/VNAV) na zasadniczym kierunku podejścia do lądowania. W ślad za zmianami w przestrzeni powietrznej oraz węzłach lotnisk konieczne będzie wdrożenie nowych procedur nieprecyzyjnego i precyzyjnego podejścia do lądowania; W przypadku nowych lotnisk stosowanie systemów ILS lub DVOR/DME dla zapewnienia odpowiedniego podejścia precyzyjnego lub nieprecyzyjnego nie będzie ekonomicznie uzasadnione. Zakłada sie, że wyposażenie statków powietrznych na lotniskach rozpoczynających działalność komercyjną powinno spełniać wymogi przepisów międzynarodowych i być zgodne z zakładaną dokładnością nawigacyjną dla przestrzeni danego lotniska. Istniejące obecnie na lotniskach lub w TMA radiolatarnie typu VOR/DME i NDB wykorzystywane w nieprecyzyjnych procedurach 33

20 podejścia będą utrzymywane i będą stanowiły tzw. Infrastrukturę konwencjonalną; Procedury podejść APV (LNAV/VNAV) opracowane zostaną jako tzw. przykrywające dla wszystkich podejść precyzyjnych i nieprecyzyjnych na funkcjonujących lotniskach komunikacyjnych. Dodatkowo procedury tego typu opracowane zostaną dla podejść na kierunku pomocniczym lotnisk komunikacyjnych. Rozwiązanie to poprawi dostępność lotnisk oraz bezpieczeństwo. Na lotniskach nie wyposażonych w precyzyjne systemy podejścia do lądowania, w przypadkach uzasadnionych wzrostem ruchu lotniczego instalowane będą odpowiednie rozwiązania (np. ILS, SBAB a docelowo nawet GBAS). Do końca 2010 roku dla nieprecyzyjnych procedur podejścia w dalszym ciągu wykorzystywane będą radiolatarnie VOR i NDB; Zaimplementowane zostaną rozwiązania wykorzystujące nawigację GNSS i RNAV8 w oparciu o system GPS9 oraz zabezpieczenie konwencjonalne. Poziom obsługi podejść kat. II/III zostanie utrzymany. Jeżeli prognozy ruchu i rachunek ekonomiczny będą uzasadniały taką potrzebę na lotniskach kat. I wprowadzana będzie wyższa kategoria podejść; Docelowo wdrożone zostaną systemy nawigacyjne i rozwiązania przestrzeni zapewniające wykonywanie operacji RNP RNAV. Do osiągnięcia P RNAV, zgodnie z rozwiązaniami stosowanymi w Europie zakłada się stosowanie w Polsce rozwiązań wykorzystujących nawigacje DME/DME (P RNAV) przy zapewnieniu pełnego pokrycia DME/DME (z redundancją) oraz systemy GPS + SBAS. BIBLIOGRAFIA 1. Banaszek K.: Analiza metod SIS i koncepcja ich wykorzystania podczas podejścia do lądowania według GNSS, Chełm, Booz Allen & Hamilton: European Radionavigation Plan, First Draft For Working Group Review, Paris, 6 march Department of Defence, United States of America: Global Positioning System Standard Positioning Service Signal Specification, November Department of Defence, United States of America: Global Positioning System Standard Positioning Service Signal Specification 2 nd Edition, June Department of Defence, United States of America: Global Positioning System Standard Positioning Service Performance Standard, October Department of Defence, United States of America: Global Positioning System Standard Positioning Service Performance Standard 4 th Edition, September Fellner A.: Koncepcja polskiego radionawigacyjnego planu w ramach European Radionavigation Plan, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Mechanika, z. 51[168], t. 2, Rzeszów s , Felski A., Oszczak S., Specht C., Narkiewicz J., Grzegorzewski M.: Ocena implikacji Europejskiego Planu Radionawigacyjnego na rozwój Nawigacji w Polsce, ekspertyza na zlecenie Polskiego biura ds. przestrzeni kosmicznej, Warszawa