Nowy regionalny satelitarny system wspomagający QZSS powstaje w Japonii

Transkrypt

1 CZASOPISMO STOWARZYSZENIA ELEKTRYKÓW POLSKICH ORAZ DWUKROTNIE ODZNACZONE ROK LXXXV kwiecień 2016 NR 4 Jacek JANUSZEWSKI* DOI: / Nowy regionalny satelitarny system wspomagający QZSS powstaje w Japonii New regional satellite system augmentation under construction in Japan Powstały w Japonii system QZSS (Quasi-Zenitalny System Satelitarny) zapewnia regionalny serwis nawigacji satelitarnej (w tym również usługi wspomagające) w Azji Wschodniej i Oceanii. System ten został zbudowany w celu zapewnienia możliwości określania pozycji za pomocą systemu satelitarnego w miejskich kanionach i rejonach górzystych. Opisano segment kosmiczny, obejmujący satelity na nachylonych orbitach geosynchronicznych (IGSO), podano parametry wszystkich sześciu sygnałów i depesz nawigacyjnych wysyłanych przez te satelity. Opisano segment naziemny z 11 stacjami, segment użytkownika ze zintegrowanymi odbiornikami (QZSS i inne nawigacyjne systemy satelitarne), możliwości i zastosowania systemu obecnie i w przyszłości. Słowa kluczowe: QZSS, nawigacyjny system satelitarny, sygnał LEX, serwis SLAS, serwis CLAS The Quasi Zenith Satellite System (QZSS), developed by Japan, provides a regional satellite navigation service (augmentation also) in East Asia and Oceania. QZSS was developed to provide position service in urban canyons and mountainous environments. Spatial segments with Inclined GeoSynchronous Orbit (IGSO) satellites, the parameters of all six signals transmitted by satellites, all six navigation messages, terrestrial segment with 11 stations, user segment with integrated (QZSS and other satellite navigation system) receivers and the system performance and its use today and in the future are described in this paper. Key words: QZSS, satellite navigation system, signal LEX, service SLAS, service CLAS Obecnie (luty 2016 r.) w pełni operacyjne są dwa globalne nawigacyjne systemy satelitarne (NSS): amerykański GPS i rosyjski GLONASS, a ponadto cztery satelitarne systemy wspomagające SBAS (Satellite Based Augmentation System): EGNOS w Europie i północnej Afryce, WAAS w USA i Kanadzie, MSAS w Japonii i GAGAN w Indiach. W budowie są dwa kolejne NSS: Galileo w Europie i BeiDou w Chinach oraz jeden SBAS, SDCM w Federacji Rosyjskiej. Ponadto w Japonii w końcowej fazie budowy jest system QZSS (Quasi Zenith Satellite System), którego pierwszy satelita znajduje się na orbicie od września 2010 roku. Wszystkie wymienione systemy są powszechnie nazywane globalnymi GNSS (Global Navigation Satellite System). System QZSS będzie wykorzystywany zarówno jako klasyczny system nawigacyjny, umożliwiający określanie pozycji, jak i system wspomagający, dostarczający użytkownikowi różnego rodzaju poprawki i informacje o wiarygodności i dostępności innych NSS. Od drugiej wojny światowej obserwuje się nieprzerwany rozwój początkowo naziemnych systemów radionawigacyjnych, takich jak Decca Navigator, Omega, Loran C, a później nawigacyjnych systemów satelitarnych. W połowie lat 90. minionego stulecia oddano do eksploatacji dwa globalne NSS, a w XX wieku cztery systemy SBAS [1], [2], [8]. * Akademia Morska w Gdyni, jacekjot@am.gdynia.pl Jednym z państw najbardziej zainteresowanych i jednocześnie znaczących na rynku naziemnych systemów radionawigacyjnych i satelitarnych systemów wspomagających jest Japonia. To na jej terytorium zlokalizowano stacje nadawcze systemu naziemnego Loran A, później Loran C oraz jedną z ośmiu stacji globalnego systemu naziemnego Omega. W pierwszej dekadzie obecnego wieku Japonia była drugim po USA państwem najbardziej zaangażowanym w tworzenie systemów SBAS. Pierwszego satelitę geostacjonarnego nowego systemu wspomagającego MSAS (Multi-functional Transport Satellite Based Augmentation System) wprowadzono na orbitę z własnego kosmodromu już w 1999 roku, ale po awarii jeszcze w tym samym roku wyłączono go z eksploatacji. Funkcjonowanie systemu przywrócono dopiero w 2005 roku. Obecnie system ten jest także wykorzystywany do kontroli ruchu lotniczego oraz prowadzenia obserwacji meteorologicznych. Dodatkowo należy też wspomnieć, że jest to kraj wielu renomowanych i jednocześnie bardzo znanych w świecie producentów różnego rodzaju urządzeń radionawigacyjnych, w tym również powszechnie stosowanych odbiorników systemów naziemnych i satelitarnych. Można tu chociażby wymienić takie koncerny, jak Furuno, Koden czy JRC. Licząca przeszło 120 milionów ludności Japonia leży na średnich szerokościach geograficznych. Zdecydowana większość terenów zamieszkałych znajduje się między 30 a 45 O N. Jest to kraj górzysty, a w kilkunastu wielkich miastach i kilkudziesięciu 106 WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE ROCZNIK LXXXV nr 4/2016

2 aglomeracjach zabudowa ma charakter tzw. miejskich kanionów (urban canyon). Kilkadziesiąt milionów obywateli korzysta od lat z telefonii komórkowej, współpracującej z systemem GPS. Wszyscy ci użytkownicy muszą się liczyć z następującymi ograniczeniami: wysokość topocentryczna satelitów geostacjonarnych MSAS wynosi około 40 O, co oznacza, że w kanionach miejskich i terenach górzystych satelity te są najczęściej rzadko widziane; liczba satelitów systemu GPS w czasie jazdy w miastach z użyciem nawigacji satelitarnej może ulec znacznemu zmniejszeniu, dodatkowo sygnały z satelitów mogą być obarczone błędem tzw. wielodrogowości (multipath error). Władze Japonii postanowiły więc stworzyć od podstaw taki system satelitarny, w którym co najmniej jeden satelita będzie widoczny nad ich krajem na wystarczająco dużej wysokości topocentrycznej. Ponadto satelity te powinny użytkownikowi systemu GPS dostarczać zarówno różnego rodzaju poprawki, jak i sygnały wykorzystywane w procesie określania pozycji. Celem było więc zbudowanie systemu o dwojakim charakterze, z jednej strony wspomagającym, a z drugiej regionalnym, poprawiającym dostępność systemu globalnego. Badania wykazały, że wymienione wymagania może spełnić jedynie system, w którym segment kosmiczny będzie obejmować satelity okrążające Ziemię po orbitach geosynchronicznych nachylonych IGSO (Inclined GeoSynchronous Orbit), zwanych też Quasi-Zenitalnymi QZO (Quasi Zenith Orbit). Taki też rodzaj orbity został przyjęty, a system nazwano QZSS (Quasi Zenith Satellite System). W 2002 roku zatwierdzono projekt budowy od podstaw tego systemu. Realizacją zajęło się konsorcjum ASBC (Avanced Space Business Corporation) zrzeszające takie firmy, jak Mitsubishi Electric, Hitachi czy też GNSS Technologies Inc. W 2007 roku projekt przejęła Japońska Agencja Kosmiczna (JAXA Japan Aerospace Exploration Agency) wraz z centrum badawczym SPAC (Satellite Positioning Research and Application Center). Publikuje ona cyklicznie szczegółową dokumentację na temat bieżącego stanu systemu w serii oznaczonej symbolem IS-QZSS Draft V1. Pierwsza wersja 1.0 ukazała się w 2008 roku [4], ostatnia zaś 1.6, licząca 248 stron i obowiązująca po dzień dzisiejszy, 28 listopada 2014 roku [5]. Od 2007 roku informacje o stanie budowy, zasadzie działania i przewidywanych zastosowaniach systemu QZSS zaczęły być przedstawiane w tak renomowanych wydawnictwach specjalistycznych o zasięgu światowym, jak GPSWorld [16] czy Insidegnss [18]. W podręcznikach o systemach satelitarnych systemowi temu zaczęto poświęcać co najmniej jeden podrozdział [1], [2]. Zagadnienia związane z QZSS stały się też jednym ze stałych tematów międzynarodowych konferencji poświęconych systemom satelitarnym, takich jak największa w Europie organizowana corocznie w Monachium (Satellite Navigation Summit), np. [11], [12], [13] czy też tzw. szczyty komitetu do spraw GNSS, np. Saint-Petersburg w 2009 r. [9] i Pekinie w 2012 r. [10]. STRUKTURA SYSTEMU W systemie QZSS, tak jak w każdym NSS czy też SBAS, można wyróżnić trzy segmenty: kosmiczny, naziemny i użytkownika. SEGMENT KOSMICZNY Według ostatnich ustaleń (luty 2016 r.) segment kosmiczny systemu QZSS będzie liczył cztery satelity, trzy na trzech nachylonych orbitach geosynchronicznych IGSO (po jednym na każdej z trzech) i jeden na orbicie geostacjonarnej na długości geograficznej 135 O E. Orbita IGSO to orbita o kształcie eliptycznym o okresie obiegu Ziemi przez satelitę równym dobie gwiazdowej. W systemie QZSS kąt inklinacji orbit IGSO wynosi 43 O (odchyłka ± 4 O ), apogeum km znajduje się nad Japonią, zaś perygeum o wysokości km nad Australią. Satelity poruszające się po takiej orbicie przelatują nad równikiem na wysokości około WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE ROCZNIK LXXXV nr 4/ km mniejszej niż wysokość orbity geostacjonarnej. Przy takich parametrach ślad satelitów IGSO na powierzchni Ziemi ma kształt asymetrycznej ósemki (rys. 1). Satelita, poruszając się na północ, będzie zwiększał swoją odległość od powierzchni Ziemi, zaś czas jego widzialności nad półkulą północną będzie większy niż nad półkulą południową. Każdy, pojawiający się w odstępach ośmiogodzinnych, satelita obserwowany z okolic Japonii będzie widoczny przez około 8 godzin na wysokości topocentrycznej co najmniej 70 O i około 12 godzin na nie mniejszej niż 50 O. Ze względu na to, że system QZSS zalicza się do systemów wspomagających SBAS, jego satelity są identyfikowane przez stosowany w systemie GPS niepowtarzalny kod PRN (Pseudo Range Noise) [5]. Rys. 1. System QZSS ślad satelity IGSO na powierzchni Ziemi [5] Pierwszy satelita IGSO, oznaczony symbolem QZS 1, o nazwie Michibiki, został wyniesiony na orbitę 11 września 2010 r. za pomocą rakiety nośnej H2A202, wystrzelonej z japońskiego kosmodromu Tanegashima; długość geograficzna węzła wstępującego to około 135 O (wartość bezwzględna odchyłki może wynieść 5 O, a nawet i więcej). Kod PRN tego satelity wynosi 183. Jest to nadal jedyny funkcjonujący satelita systemu [5], [15]. W języku japońskim słowo michibiki oznacza wyznaczać drogę, prowadzić. Przewiduje się, że w najbliższych dwóch latach segment kosmiczny powiększy się o dwa satelity IGSO i jeden GEO (Geostationary Earth Orbit) zlokalizowany na długości około 135 O E. Docelowo trzem satelitom IGSO zostaną przyporządkowane numery PRN od 193 do 195 [5]. SEGMENT NAZIEMNY Struktura i funkcjonowanie segmentu naziemnego systemu QZSS nie różni się zasadniczo od wszystkich innych NSS i SBAS. Segment ten liczy łącznie 11 stacji, w tym jedną stację główną MCS (Master Control Station), dziewięć stacji monitorujących MS (Monitoring Station), jedną stację korygującą TCS (Tracking Control Station) oraz dwie kontroli czasu TMS (Time Management Station). Jedna z tych stacji znajduje się w instytucie NICT (National Institute of Information and Communication Technology). Stacja Okinawa odgrywa rolę trzech stacji MS, TCS i TMS (tabela 1). Sześć stacji zlokalizowano na terenie Japonii, pozostałe pięć, na mocy odpowiednich porozumień międzynarodowych o wzajemnej współpracy, w ośrodkach naukowych czterech państw. 107

3 Tabela 1. System QZSS, stacje segmentu naziemnego (opracowanie autora na podstawie [5] Miejsce, państwo Współrzędne geograficzne główna Rodzaj stacji monitorująca korygująca kontroli czasu Koganei, Japonia 35 O 42,5 N 139 O 29,3 E + Sarobetsu, Japonia 45 O 09,8 N 141 O 44,9 E + Okinawa, Japonia 26 O 29,9 N 127 O 50,7 E Chichi-Jima, Japonia 27 O 04,8 N 142 O 12,9 E + Hawaje, USA 22 O 07,6 N 159 O 39,9 W + Guam, USA 13 O 28,7 N 144 O 47,7 E + Bangkok, Tajlandia 14 O 04,9 N 100 O 36,8 E + Bangalore, Indie 13 O 02,1 N 077 O 30,7 E + Canberrra, Australia 35 O 19,0 S 149 O 00,6 E + Tsukuba, Japonia 36 O 06,7 N 140 O 03,6 E + Tokio, Japonia 35 O 48,3 N 139 O 48,5 E + pierwszego satelity QZSS Michibiki, model BNC 4751 firmy Broadcom [16]. W tabeli 2 zestawiono, opracowaną przez autora na podstawie zamieszczanych corocznie w styczniowym numerze renomowanego miesięcznika GPSWorld, liczbę producentów oraz wytwarzanych przez nich modeli odbiorników/modułów/chipsetów dostępnych na rynku w latach W kolejnych latach zarówno liczba producentów, jak i modeli, systematycznie rosła, w 2015 roku było to już ponad 37% wszystkich uwzględnionych w miesięczniku producentów i blisko 36% wszystkich modeli. W tabeli 3 przedstawiono natomiast wykaz producentów odbiorników/modułów/chipsetów systemu QZSS wraz z liczbą oferowanych przez nich modeli w 2015 r.. Liderem jest tu, i to od lat, znany na całym świecie koncern JAVAD GNSS, na drugim miejscu wielka firma japońska Furuno [16]. Wszystkie depesze nawigacyjne są obliczane w MCS, a następnie za pośrednictwem TCS przesyłane do satelitów systemu [5]. Współpraca międzynarodowa obejmuje również śledzenie satelity Michibiki przez stacje sieci CONGO (Cooperative Network for GIOVE Observations), stworzonej na potrzeby systemu Galileo. Stacje te, zarządzane i eksploatowane przez niemiecki Instytut Astronomii i Geodezji Fizycznej (IAPG), znajdują się w Chofu (Japonia), Singapurze, Sydney, Maui na Hawajach i francuskiej wyspie Tahiti. Wykorzystywane są do śledzenia tegoż satelity oraz obliczania parametrów jego orbity i zegara pokładowego [14]. Zadaniem wszystkich stacji monitorujących jest odbieranie sygnałów nie tylko od satelitów QZSS, ale również satelitów systemu GPS. Umożliwia to obliczenie parametrów orbit satelitów QZSS oraz wzorca czasu tegoż systemu i następnie porównywanie tych parametrów z parametrami otrzymywanymi z systemu GPS. SEGMENT UŻYTKOWNIKA Pierwszym urządzeniem dostępnym od pierwszego kwartału 2009 roku dla użytkowników cywilnych, współpracującym z nieistniejącym wówczas segmentem kosmicznym systemu QZSS, był symulator konstelacji satelitów NavX NCS RF firmy IfEN GmbH. Wkrótce pojawiły się pierwsze wzmianki o modułach współpracujących z systemem QZSS. Można tu wymienić wprowadzony w 2011 roku, czyli już w kilka miesięcy po wprowadzeniu na orbitę, Tabela 2. Zestawienie liczbowe producentów odbiorników /modułów/chipsetów systemu QZSS dostępnych na rynku w latach (opracowanie autora na podstawie [16]) Rok (liczba wszystkich producentów/ wszystkich odbiorników) Producenci odbiorników/ modułów/chipsetów liczba % (ogółu) liczba Odbiorniki/ moduły/chipsety % (ogółu) 2011 (61 / 450) 1 1,6 1 0, (58 / 483) 5 8,6 46 9, (55 / 502) 10 18, , (47 / 380) 14 29, , (48 / 434) 18 37, ,7 Tabela 3. Wykaz producentów odbiorników /modułów/chipsetów systemu QZSS dostępnych na rynku w roku 2015 [16] Producent Liczba modeli odbiorników / modułów/chipsetów systemu QZSS Ashtech/Boards & Sensors 3 CHC 2 CSR 12 Furuno 14 Jackon Labs Technologies 1 Japan Radio Co 2 JAVAD GNSS 39 Leica Geosystems AG 5 NovAtel 11 Ralelogic 3 Septentrio 6 SkyTraq Technology 8 Sokkia 3 Spectra Precision 1 STMicroelectronics 8 Topcon 7 Trimble 23 u-blox 7 W zdecydowanej większości są to profesjonalne moduły i chipsety, zawsze jednak wchodzą w skład odbiornika czy też specjalnego zestawu zintegrowanego, umożliwiającego wykorzystywanie sygnałów z kilku nawigacyjnych systemów satelitarnych i systemów wspomagających, zarówno już funkcjonujących, jak i dopiero budowanych. Można tu wymienić odbiornik TRIUMPH- -LS firmy JAVAD GNSS, odbierający sygnały QZSS na trzech częstotliwościach L1, L2 i L5 oraz sygnały z satelitów systemu GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou oraz systemów SBAS czy też moduł GN86 firmy Furuno, odbierający sygnały QZSS na częstotliwości L1 oraz sygnały systemów GPS, Galileo oraz SBAS [16]. SYGNAŁY I DEPESZE NAWIGACYJNE Według założeń z 2014 roku [5], satelity systemu QZSS będą emitować docelowo siedem sygnałów na czterech częstotliwo- 108 WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE ROCZNIK LXXXV nr 4/2016

4 Tabela 4. System QZSS, częstotliwości, sygnały, przeznaczenie i depesze (opracowanie autora na podstawie [5]) Częstotliwość [MHz] f o = 10,23 MHz 1 575, ) 1 278, ) 1 227, ) 1 176, ) Sygnał Przeznaczenie Depesza L1 C/A L1 C L1 SAIF L6 (LEX) L2 C L5 L5 S kompatybilny z GPS kompatybilny z przyszłym blokiem III satelitów GPS Sygnał wspomagający SLAS, wykorzystywany w systemie DC Report Sygnał wspomagający CLAS kompatybilny z GPS kompatybilny z satelitami bloku IIF GPS Sygnał eksperymentalny, planowany dla przyszłych satelitów QZSS ściach nośnych. Obecnie (sierpień 2015 r.) satelita Michibiki emituje sześć sygnałów z wyjątkiem L5S (tabela 4). Wszystkie cztery częstotliwości są pełną wielokrotnością częstotliwości 10,23 MHz, trzy z nich (L1, L2 i L5) są takie same, jak w systemie GPS, czwarta L6 jest natomiast zgodna z częstotliwością E6 systemu Galileo, na której emitowane są sygnały o numerach 5, 6 i 7 [6], [7]. Dodatkowo częstotliwości L1 i L5 są, bądź będą, tożsame z częstotliwościami systemów Galileo i GLONASS. CHARAKTERYSTYKA SYGNAŁÓW Wszystkie sześć sygnałów, obecnie emitowanych, określanych według [5] mianem pozycyjnych, przy czym cztery L1 C/A, L1C, L2C i L5, dzięki wspólnym z innymi NSS częstotliwościom, wykorzystuje się w celu poprawy dostępności, zaś dwa pozostałe, L1 SAIF (Submeter-class Augmentation with Integrity Function) i LEX, dzięki emisji odpowiednich poprawek i różnego rodzaju informacji, jako wspomagające. Segment naziemny monitoruje nieprzerwanie wszystkie sygnały transmitowane przez satelitę oraz jego status i co sekundę sprawdza, czy dokładność SIS (Signal In Space) któregokolwiek z sygnałów jest gorsza niż 9,65 m oraz czy wykryto jakikolwiek problem z tym satelitą. W razie wykrycia nieprawidłowości użytkownicy przez odpowiedni alarm zostają ostrzeżeni w czasie nie dłuższym niż 30 s dla sygnału L1 C/A, 90 s dla sygnału L1C, 40 s dla L2C i 30 s dla L5. Podczas okresowych prac konserwacyjnych satelity generowany jest stosowny alarm o nieprzydatności do użytku sygnałów przez niego emitowanych. Taki satelita emituje wówczas depeszę awaryjną zamiast standardowej [5], [21]. PARAMETRY DEPESZ Dla każdego z sześciu emitowanych przez satelitę sygnałów depesza nawigacyjna wygląda inaczej. W przypadku czterech sygnałów L1 C/A, L1C, L2C i L5 depesza ta, tak jak w każdym NSS, składa się z efemeryd i almanachu oraz danych charakterystycznych jedynie dla systemu QZSS. Do danych tych można zaliczyć między innymi alarmy dotyczące jakości sygnału ( Alert flag), parametr URA (User Range Accuracy), dane o zdrowiu satelity oraz poprawki orbitalne. WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE ROCZNIK LXXXV nr 4/2016 NAV CNAV-2 SAIF LEX CNAV CNAV brak danych Depesze czterech wymienionych sygnałów są aktualizowane w stałych odstępach czasowych. I tak na przykład efemerydy co 900 s, zaś parametr URA co 30 s dla sygnału L1 C/A, co 18 s dla sygnału L1, co 48 s dla L2C i co 24 s dla L5 [5]. Struktura każdej z tych depesz jest tożsama z odpowiadającą jej o tej samej nazwie depeszą emitowaną na tej samej częstotliwości przez satelity systemu GPS [6], [7]. Informacje o parametrach orbity zawarte w efemerydach są ważne minimum przez 2 godziny, zaś parametry zegara satelity przez minimum 30 minut [5]. DEPESZA NAV, SYGNAŁ L1 C/A Depesza NAV, transmitowana na sygnale L1 C/A, ma tę samą strukturę, co depesza o tej samej nazwie emitowana przez satelity systemu GPS [3], [6]. Istnieją jednak między nimi pewne różnice, z których najważniejsza dotyczy odmiennej struktury czasowej. O ile bowiem w systemie GPS ramy czasowe emisji są związane z istnieniem 25 ramek almanachu (12,5 minuty), to w systemie QZSS nie ma takiego ograniczenia. Satelity QZSS identyfikowane są przez swój unikatowy numer SV ID (Space Vehicle Identification Number). Dlatego też liczba 30-sekundowych ramek może zostać zwiększona do 30, a nawet i więcej, a informacje w nich zawarte mogą dotyczyć również innych NSS [5]. DEPESZA SAIF, SYGNAŁ L1 SAIF Depesza przesyłana na sygnale L1 SAIF, zwana wiadomością nawigacyjną SAIF, składa się z pojedynczej ramki głównej liczącej 250 bitów [13]. Ze względu na to, że prędkość transmisji danych wynosi 250 bit/s, czas jej trwania to 1 s. Ramkę tę tworzą następujące elementy [5]. Preambuła, bity o numerach od 1 do 8, powtarzająca się cyklicznie w trzech kolejnych sekwencjach A, B i C. Początek sekwen- cji A zsynchronizowany jest z czasem emisji każdej sześciosekundowej podramki depeszy NAV (sygnał L1 C/A). Oznacza to, że podczas transmisji jednej takiej podramki wiadomość SAIF zostanie wysłana sześć razy, a każda z trzech sekwencji powtórzona dwukrotnie w zadanej kolejności. Identyfikator typu wiadomości, bity o numerach od 9 do 14, przedstawiany jako binarny numer z przedziału 0 63 (2 6 = 64). Wskazuje on rodzaj właściwej informacji przesyłanej w kolejnych bitach. Informacje te są bardzo zróżnicowane, gdyż obejmują wiadomości testowe, informacje o wiarygodności, poprawki krótkoi długoterminowe, poprawki jonosferyczne i troposferyczne, efemerydy satelitów QZSS, almanach tego systemu, wiadomości puste i zarezerwowane itd. W jednej ramce mogą być przesyłane tylko wiadomości jednego typu, ale kolejność transmisji poszczególnych typów wiadomości nie została dotychczas ustalona. Wiadomość właściwa, bity o numerach od 15 do 226, typ wiadomości określony wcześniej przez identyfikator. Bity sprawdzające, o numerach od 227 do 250. W przypadku każdej ramki odbiornik użytkownika weryfikuje prawidłowość ich odbioru. DEPESZA CNAV, SYGNAŁ L2C Depesza CNAV, bezpośredni następca pierwszej cywilnej depeszy NAV, została stworzona na potrzeby systemu GPS [3], [7]. W systemie QZSS konfiguracja depeszy CNAV, również transmitowanej wraz z sygnałem L2C, jest taka sama, z wyjątkiem treści wiadomości właściwej. Pojedyncza ramka liczy 300 bitów, czas jej trwania to 12 s, zaś prędkość transmisji danych wynosi 250 bit/s. Ramkę tę tworzą [5]: preambuła, bity o numerach od 1 do 8; numer PRN satelity, bity o numerach od 9 do 14; identyfikator typu wiadomości, bity o numerach od 15 do 20, przedstawiany jako binarny numer z przedziału 0 63 (2 6 = 64); wskazuje on rodzaj właściwej informacji przesyłanej w kolejnych bitach; czas tygodnia (TOW Time of Week), bity o numerach od 21 do 37; wartość liczbowa wyrażona przez owe bity pomnożona 109

5 przez 6 definiuje czas (w sekundach) rozpoczęcia przez satelitę emisji kolejnej ramki CNAV; ostrzeżenie (flag), bit o numerze 38; jest to informacja dla użytkownika o możliwości wystąpienia błędu większego niż wcześniej założono, dalsze korzystanie z takiej wiadomości odbywa się już na własne ryzyko; wiadomość właściwa, bity o numerach od 39 do 276, typ wiadomości określony wcześniej przez identyfikator; dla każdego typu ustalono maksymalne przedziały czasu, po upływie którego dana wiadomość powinna być emitowana ponownie, i tak w przypadku efemeryd satelity przedział ten wynosi 28 s, poprawki jonosferycznej, odchyłki czasu i parametrów UTC jest to 288 s, zredukowanego i pełnego almanachu QZSS odpowiednio 20 minut i 120 minut; wiadomość typu zero jest emitowana w razie awarii generatora depeszy; bity sprawdzające, o numerach od 277 do 300; w przypadku każdej ramki odbiornik użytkownika weryfikuje prawidłowość ich odbioru. DEPESZA CNAV, SYGNAŁ L5 Depesza CNAV transmitowana na sygnale L5 ma tę samą strukturę co depesza CNAV na częstotliwości L2 [5], [7], z jedną tylko, ale bardzo istotną różnicą. Emisja jednej, pełnej ramki trwa 6 s, gdyż prędkość transmisji danych na częstotliwości L5 wynosi 50 bit/s, czyli jest dwukrotnie większa niż na częstotliwości L2. Z tego też powodu skróceniu o połowę, w porównaniu z CNAV na L2, uległy maksymalne przedziały czasu, po upływie którego dana wiadomość powinna być emitowana ponownie [5]. DEPESZA CNAV 2, SYGNAŁ L1C Depesza CNAV 2, przesyłana na sygnale L1C, kolejna wersja depeszy z serii CNAV, będzie tożsama z depeszą o tej samej nazwie, która będzie emitowana przez satelity przyszłego bloku III systemu GPS również na sygnale L1C. Strukturę depeszy CNAV 2 systemu GPS szczegółowo opisano w [3] i [7]. W depeszy transmitowanej przez satelity QZSS w trzeciej podramce wśród 250 bitów danych można wyróżnić [5]: numer PRN satelity, bity o numerach od 1 do 8; typ strony, bity o numerach od 9 do 14; spośród 64 (26 = 64) możliwych typów strony obecnie jest wysyłanych 11 stron, o numerach od 1 do 7 ( dotyczą systemu QZSS) i od 17 do 20 (dotyczą systemu GPS); wiadomość właściwą, bity o numerach od 15 do 250; które strony i z jaką częstością są wysyłane jest ściśle określone, gdyż niektóre dane muszą być wysyłane nie rzadziej niż co ustaloną liczbę sekund czy też minut i tak na przykład poprawki jonosferyczne nie rzadziej niż co 288 sekund, zaś uproszczony almanach nie rzadziej niż co 20 minut. DEPESZA LEX, SYGNAŁ L6 Depesza LEX, stworzona z myślą o kompatybilności systemów QZSS i Galileo, jest transmitowana na częstotliwości L6, tożsamej z częstotliwością E6 systemu Galileo. Prędkość przesyłania danych jest kilkanaście, a w niektórych przypadkach nawet kilkadziesiąt, razy większa niż we wszystkich wymienionych depeszach, gdyż wynosi 2000 bit/s. Transmisja jednej pełnej ramki trwa tym samym jedną sekundę. Struktura depeszy jest znana od kilku lat [7]. O ile jednak jeszcze w 2012 roku spośród 256 typów wiadomości były zdefiniowane zaledwie trzy (10, 11 i 20), to obecnie znane jest już przeznaczenie wszystkich [5]: typ od 0 do 9; zapasowe (do użytku zewnętrznego), typ 10; zdrowie sygnału dla 35 satelitów (32 GPS i 3 QZSS IGSO), efemerydy i dane zegara dla trzech spośród nich; obecne zastosowanie w pomiarach agencji JAXA, typ 11; zdrowie sygnału dla 35 satelitów (32 GPS i 3 QZSS), efemerydy i dane zegara dla dwóch spośród nich, poprawki jonosferyczne; obecne zastosowanie w pomiarach agencji JAXA, typ 12; poprawki zegara oraz orbit, MADOCA-LEX (Multi-GNSS Advanced Demonstration tool for Orbit and Clock Analysis), typ 13; MADOCA-LEX, typ od 14 do 19; zapasowe, typ od 20 do 155; do celów eksperymentalnych, typ od 156 do 250; do celów demonstracyjnych i eksperymentalnych w sektorze prywatnym. EKSPLOATACJA SYSTEMU Układem odniesienia systemu QZSS jest JGS (Japan Satellite Navigation Geodetic System), zaś elipsoidą odniesienia elipsoida GRS80 (duża półoś m, biegunowe spłaszczenie 1/298, ). Czas systemu QZSST (QZSS Time) jest związany z czasem TAI (Time Atomic International) przez czas systemu GPS (GPST), uwzględnia też tę samą co GPS liczbę sekund przestępnych. Docelowo odchyłka między czasami GPS i QZSS będzie przekazywana w depeszach nawigacyjnych obydwu tych systemów [1], [5]. Obecnie (luty 2016) system QZSS jest wykorzystywany przede wszystkim jako system wspomagający, pozycja użytkownika dysponującego odbiornikiem zintegrowanym QZSS + GPS, określona za pomocą systemu GPS korygowana jest poprawkami odbieranymi z satelity QZSS (Michibiki). Jednocześnie, dzięki wymienionym sygnałom i depeszom docierającym z tego satelity, liczba satelitów wykorzystywanych w procesie określania pozycji, a w praktyce liczba zmierzonych pseudoodległości, może zostać zwiększona. W każdym zintegrowanym (QZSS + NSS) odbiorniku użytkownika wysokość topocentryczna satelity QZSS, od którego odbierane są różnego rodzaju poprawki, powinna wynosić co najmniej 5 O. Ten sam warunek obowiązuje również w przypadku wykorzystywania podczas określania pozycji sygnałów docierających z satelitów NSS [5]. Wyniki pierwszych pomiarów przeprowadzonych w Japonii w aglomeracjach miejskich o wąskich ulicach i wysokiej zabudowie, z wykorzystaniem systemu GPS wspomaganego sygnałami L1 SAIF i LEX z satelity Michibiki, wykazały, że kiedy satelita ów znajduje się w apogeum lub jego pobliżu (przez około 8 godzin jest na wysokości topocentrycznej 70 O lub większej), prawdopodobieństwo określenia pozycji użytkownika wzrasta do niemal 100 %, a jej błąd znacząco maleje, zarówno w płaszczyźnie horyzontalnej, jak i pionowej, z około jednego i czterech metrów do kilkudziesięciu centymetrów [13], [17], [19]. Zapowiedź wprowadzenia na orbitę dwóch kolejnych satelitów IGSO oznacza, że użytkownicy japońscy będą mogli określać tak dokładną pozycję w sposób nieprzerwany. SERWISY SLAS I CLAS W serwisie SLAS (Sub-meter Level Augmentation Signal) wykorzystuje się sygnał L1 SAIF zawierający poprawki, uwzględniające między innymi błędy jonosfery, zegara satelity systemu GPS oraz jego efemeryd. Poprawki te wyliczane są na bieżąco przez znajdującą się w Tokio stację L1SMS (L1 SAIF Master Station) połączoną ze stacją główną systemu QZSS w Tsukubie. W obliczeniach brane są pod uwagę różnego rodzaju dane pozyskiwane z 14 zlokalizowanych na terenie Japonii stacji sieci GEONET (GPS Earth Observation Network System). Z tego też powodu zasięg SLAS ogranicza się jedynie do wysp japońskich. Dokładność pozycji horyzontalnej (95%) określonej za pomocą odbiornika systemu GPS i skorygowanej odpowiednimi poprawkami z satelity QZSS jest rzędu 1 m [13]. W serwisie CLAS (Centimeter Level Augmentation Signal) wykorzystuje się z kolei sygnał LEX, za pomocą którego w wiadomościach o numerach 10 i 11 w czasie rzeczywistym są przesyłane poprawki zegara oraz efemerydy satelitów systemu GPS. Umożliwia to określanie pozycji użytkownika z dokładnością rzędu centymetrów w płaszczyźnie horyzontalnej (95%), tzw. Precise Point Positioning (PPP) [19], [20]. 110 WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE ROCZNIK LXXXV nr 4/2016

6 PERSPEKTYWY WYKORZYSTANIA SYSTEMU Ze względu na fakt, że wyspy japońskie leżą na styku czterech płyt tektonicznych, kraj ten narażony jest na częste występowanie trzęsień Ziemi i innych katastrof naturalnych, takich jak na przykład tsunami. Dlatego też Japonia zdecydowała o zbadaniu możliwości szybkiego powiadamiania swych obywateli o nadchodzącym niebezpieczeństwie za pomocą własnego systemu satelitarnego. W tym celu powstanie nowy, oparty na QZSS, system o nazwie DC Report (Satellite Report for Disaster and Crisis Management). Jego głównym zadaniem będzie rozpowszechnianie wiadomości o zbliżającym się zagrożeniu za pomocą sprzężonych z systemem telefonów komórkowych oraz wszystkich odbiorników QZSS zainstalowanych w wybranych miejscach publicznych. Wiadomość ta będzie zawierała informację o rodzaju zagrożenia oraz wskazówki dotyczące przebiegu i miejsca ewakuacji. W przyszłości planowane jest także włączenie w system DC Report licznych portali, co zapewni zwiększenie dostępności rozsyłanych ostrzeżeń [12], [20]. Biorąc pod uwagę korzyści, jakie może przynieść system QZSS, w szczególności sygnały L1 SAIF i LEX, można stwierdzić, że system ten znajdzie szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach gospodarki. I tak na przykład w przypadku transportu drogowego zakłada się, może zbyt optymistycznie, że każdy pojazd lądowy znajdujący się w Japonii w zasięgu systemu będzie wyposażony w jego odbiornik. Dzięki temu wymiana informacji o wzajemnym położeniu przemieszczających się pojazdów umożliwi automatyczne prowadzenie samochodu [20]. Sygnał LEX zapewni możliwość wykonywania różnego rodzaju prac związanych z geodezją czy też operowaniem maszynami budowlanymi z dokładnością do kilku centymetrów. Korzystanie z systemu będzie także możliwe za pośrednictwem telefonu komórkowego, wystarczy jedynie umieścić w nim odbiornik sygnałów L1 C/A i L1 SAIF, rozmiaru karty pamięci wewnętrznej. Dzięki użyciu kompatybilnych aplikacji użytkownik będzie mógł korzystać z nawigacji satelitarnej z dodatkowymi funkcjami. Aplikacje te umożliwią między innymi wyświetlanie opisu danego miejsca, na podstawie współrzędnych określonych za pośrednictwem satelitów, w tym QZSS [17], [22]. WNIOSKI Pełna zdolność operacyjna systemu QZSS, tzw. FOC (Full Operational Capability), zostanie ogłoszona w 2018 roku, gdy segment kosmiczny będzie liczył 4 satelity (3 IGSO, 1 GEO). Przewiduje się jednak, że liczba ta już w niedalekiej przyszłości będzie zwiększona do siedmiu. System QZSS jest pierwszym w historii systemem satelitarnym, w którym jeden z emitowanych sygnałów będzie w pełni kompatybilny z sygnałem o tej samej częstotliwości i nazwie innego systemu. Sygnałem takim jest i będzie sygnał L1C, zaś tym innym systemem GPS. System QZSS to pierwszy i jak dotychczas jedyny nawigacyjny system satelitarny, który kwalifikowany jest przez jednych jako przyszłościowy autonomiczny system regionalny (zasięg ograniczony do dalekowschodniej Azji i Australii), wykorzystywany do określania pozycji w wersji QZSS non SBAS, a przez innych, jako wspomagający (poprawki otrzymywane z satelitów systemu), wykorzystywany już obecnie w wersji QZSS SBAS. Dlatego też część użytkowników i publicystów (wśród nich również autor) traktuje ten system jako regionalny i jednocześnie wspomagający. System QZSS, dzięki swym nachylonym orbitom geosynchronicznym, jest dotychczas jedynym satelitarnym systemem wspomagającym, który umożliwi w przyszłości nieprzerwany odbiór sygnałów z satelitów również w rejonach o ograniczonej widzialności, w szczególności w wielkich aglomeracjach miejskich o wysokiej zabudowie, tzw. miejskich kanionach i rejonach górzystych. O ile w porównaniu ze wszystkimi NSS i SBAS, zarówno już funkcjonującymi, jak i dopiero planowanymi, liczba sygnałów i częstotliwości, na których są one emitowane przez satelity, jest w systemie QZSS praktycznie tego samego rzędu, to w przypadku depesz, których już sześć zostało zdefiniowanych, jest ona największa. Każda z czterech częstotliwości nośnych QZSS jest zgodna z częstotliwością co najmniej jednego NSS. System QZSS i budowany obecnie system BeiDou to, jak do tej pory, jedyne systemy satelitarne, w których znalazła zastosowanie orbita IGSO. Dotychczas bowiem segment kosmiczny tych systemów tworzyły wyłącznie satelity NSS okrążające Ziemię po średnich orbitach kołowych (MEO) oraz satelity SBAS na orbicie geostacjonarnej (GEO). LITERATURA [1] Hofmann-Wellenhof B. et al GNSS Global Navigation Satellite Systems GPS, GLONASS, Galileo & more. Wien NewYork: Springer. [2] Groves P.D Principles of GNSS Applications and Methods. Boston/London: Artech House. [3] IS-GPS-800D, Interface Specification, Revision D, Global Positioning Systems Directorate, USA, 2014 [4] IS-QZSS, Interface Specification, Draft V1.0, Japan Aerospace Exploration Agency, Japonia, 2008 [5] IS-QZSS, Interface Specification, Draft V1.6, Japan Aerospace Exploration Agency, Japonia, 2014 [6] Januszewski Jacek Depesza nawigacyjna systemów satelitarnych obecnie i w przyszłości. Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne. 82 (10). [7] Januszewski Jacek Nowe depesze nawigacyjne systemu satelitarnego GPS oraz budowanych systemów Galileo i QZSS. Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne. 85 (10) [8] Januszewski Jacek Perspektywy rozwoju nawigacyjnych i wspomagających systemów satelitarnych w bliskiej i dalszej przyszłości. Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne. 87 (5). [9] Japan Aerospace Exploration Agency, QZSS Project Team: Current status of Quasi-Zenith Satellite System, 4 International Committee on GNSS, Saint-Petersburg, 2009 [10] Kishimoto M., S. Kogure Michibiki (QZSS-1) and Space Service Volume 7 International Committee on GNSS, Pekin. [11] Nomura E Japan s New Space Policy and the Importance of QZSS in the Policy. W Munich Satellite Navigation Summit. [12] Nomura E Project Overview of Quasi-Zenith Satellite System. W Munich Satellite Navigation Summit. [13] Sakai T Quasi-Zenith Satellite System L1-SAIF Augmentation Signal. W Munich Satellite Navigation Summit. [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE ROCZNIK LXXXV nr 4/