SATELITARNE SYSTEMY NAWIGACJI

Transkrypt

1 SATELITARNE SYSTEMY NAWIGACJI GNSS Global Navigation Satellite Systems Wiadomości ogólne Piotr MIELNIK

2 wystrzelono pierwszego satelitę systemu NAVSTAR GPS Nikt wówczas w wczas nie przewidywał,, jak mocno amerykański system zdominuje techniki nawigacji, pozycjonowania, transferu czasu. Nikt sobie także e nie zdawał sprawy jakim motorem dla gospodarki i finansów Stanów w Zjednoczonych stanie się początkowo wojskowy system GPS i w jak wielu dziedzinach życia stanie się on podstawowym systemem radiotechnicznym, po jego udostępnieniu dla zastosowań cywilnych. Pomimo jeszcze obecnie bezsprzecznie dominującej pozycji systemu GPS w aspekcie nowych rozwiąza zań,, technologii oraz przyszłych ych zastosowań należy uwzględnia dniać możliwo liwości pozostałych dwóch globalnych systemów w nawigacji: - pracującego cego rosyjskiego systemu GLONASS oraz - budowanego europejskiego systemu GALILEO. Założenie te zgodne jest z głównymi g tezami podpisanego w dniu roku porozumienia pomiędzy Stanami Zjednoczonymi a Unią Europejską. Porozumienia otwierającego możliwo liwości współpracy pracy dwóch systemów. Porozumienia gwarantującego rozwój j nowych urządze dzeń odbiorczych.

3 Satelitarne systemy nawigacji (SSN) charakterystyka ogólna GLONASS Liczba orbit: 3 Ilość satelitów (max): 24 Zakres częstotliwości: L MHz L MHz Liczba kodów: 2

4 GLONASS Orbity satelitów w GLONASS sąs umiejscowione w trzech płaszczyznach, p różnir niących się długością węzła a wstępuj pującego o W każdej z trzech płaszczyzn p docelowo znajdować się winno 8 satelitów. SąS one w danej płaszczyp aszczyźnie rozmieszczone równomiernie, co około o 45 w argumencie szerokości. W kolejnych płaszczyznach p argument szerokości satelitów w jest przesunięty o 15. Nominalne nachylenie płaszczyzn p orbit satelitów w GLONASS do równika r wynosi Duża a półośp ich orbit wynosi około o 25510km. Daje to okres obiegu równy r 675.8min = 11godzin, 15minut, 48sek. Powtarzalność torów w następuje po 17 obrotach lub 8 dobach gwiazdowych. Płaszczyzny P orbit satelitów w GLONASS sąs ponumerowane Miejsca satelitów w w poszczególnych płaszczyznach p otrzymały y numery 1-8, , Odpowiednim miejscom przyporządkowane są kanały y częstotliwo stotliwości. Satelity najczęś ęściej były y wystrzeliwane po 3 jednocześnie nie przy pomocy rakiet PROTON DM (SL-12) z kosmodromu Bajkonur w Kazachstanie. Pierwsze wystrzelenie satelitów w GLONASS (znanych także e pod nazwą rosyjską Uragan) nastąpi piło o

5 GLONASS Satelity GLONASS transmitują dwa pseudolosowe sygnały y szumowe z podwójnym jnym kluczowaniem przesunięcia fazy (modulacja typu BPSK). Podstawowa częstotliwo stotliwość wzorcowa satelity GLONASS wynosi 5.11MHz i 0.511MHz odpowiednio dla kodów w P i C/A. Każdy z satelitów w transmituje te same dwa kody. Każdy z satelitów w pracuje na dwóch różnych r częstotliwo stotliwościach nośnych nych (kodowanie typu FDMA). Pierwotnie w systemie GLONASS transmitowane były y dwie częstotliwo stotliwości w zakresach: L MHz, L MHz, Międzynarodowa Unia Telekomunikacji ITU (ang. International Telecommunication Union) ) przydzieliła a pierwszeństwo stwo w korzystaniu z częstotliwo stotliwości w zakresie MHz operatorom nisko orbitujących cych satelitów łączno cznościowych. ciowych. Radio - astronomowie z kolei używaju ywają częstotliwo stotliwości w zakresach MHz i MHz w obserwacjach emisji spektralnych radio źródeł z przestrzeni kosmicznej. W rezultacie autorzy GLONASS-a a zdecydowali się zredukować liczbę używanych częstotliwo stotliwości w zakresie niższych częstotliwo stotliwości

6 GLONASS Oryginalne F K1 =1602MHz + K x 0,5625MHz F K2 =1246MHz + K x 0,4375MHz gdzie: K=0, 1, 2.., 24 (0 tylko do testowania) Do 1998 K=0, 1, , 22, 23, K=-7, -6,..12 Po 2005 K=-7, -6,..4 (5, 6 tylko do testowania) Od 2005 roku system będzie b używau ywał tylko 12 zasadniczych kanałów w częstotliwo stotliwości (plus dwa dodatkowe dla testowania). Zakresy emisji będąb obejmować przedziały: a) 1598, ,25 i b) 1242, ,75MHz. W systemie jednak ciągle przewiduje się możliwo liwość pracy 24 satelitów. W jaki zatem sposób b satelity systemu w liczbie 24 mogą używać 12 kanałów?

7 GLONASS Otóż,, te same częstotliwo stotliwości będąb wykorzystywać satelity położone one po przeciwnych stronach orbity (w tej samej płaszczyp aszczyźnie). Użytkownik U operujący na Ziemi nigdy nie będzie b w stanie odebrać jednocześnie nie sygnałów w od dwóch w taki sposób b położonych onych satelitów. GLONASS używa u ywa niezależnego nego systemu czasu opartego o własne w wzorce systemu czasu. GLONASS stosuje system czasu UTC (SU) oparty o wzorce Państwowej Służby S Czasu i Częstotliwo stotliwości NTFS (ang. National Time and Frequency Service) ) Federacji Rosyjskiej. Czas ten różny r ny jest w granicach 20 nanosekund od międzynarodowego standardu UTC, realizowanego przez Międzynarodowe Biuro Miar i Wag w Paryżu u BIPM (fr( fr. Bureau International des Poids et Mesures). Rosyjska Służba ba Czasu (NTFS) wprowadziła a korektę do UTC (SU) równr wną 9 mikrosekund. W dniu o północy p nocy wprowadzono kolejną korektę do UTC (SU) wynoszącą 35 mikrosekund. Niestety wprowadzanie korekt zegarów w satelitów w powoduje wyłą łączanie systemu na kilka godzin. W kolejnych wersjach systemu zrezygnowano z tej formy korekcji czasu. c

8 Satelitarne systemy nawigacji (SSN) ogólna charakterystyka GPS Liczba orbit: 6 Ilość satelitów (max): 32 Zakres częstotliwości: L MHz L MHz Liczba kodów: 2

9 GPS Obecnie satelity GPS transmitują dwa pseudolosowe sygnały y szumowe z podwójnym kluczowaniem przesunięcia fazy (modulacja BPSK) na dwóch częstotliwo stotliwościach nośnych nych (L1 i L2). Podstawowa częstotliwo stotliwość wzorcowa satelity GPS wynosi 10.23MHz oraz 1.023MHz odpowiednio dla kodów w P i C/A. Każdy satelita pracuje na tych samych dwóch częstotliwo stotliwościach nośnych. nych. Każdy satelita transmituje dwa własne kody (kodowanie typu CDMA). W wyniku przyjętego tego w 2000 roku planu modernizacji systemu GPS wprowadzono nowe sygnały y dla zastosowań cywilnych, mające za zadanie: - polepszyć dokładno adność systemu - zwiększy kszyć odporność systemu na zakłócenia. Nowe sygnały y nadawane będąb na częstotliwo stotliwościach: - obecnej L2 sygnał ten określany jest jako L2C (od roku 2005) MHz sygnał ten określany jest jako L5 (od roku 2008).

10 GPS

11 Satelitarne systemy nawigacji (SSN) ogólna charakterystyka GALILEO Liczba orbit: 3 Ilość satelitów (max): 30 Zakres częstotliwości: L1 1575MHz E6 1279MHz E5a 1176MHz E5b 1207MHz E5ab 1191MHz Prace nad określeniem struktury sygnałów w systemu trwały y do roku 2004

12 GALILEO System GALILEO od początku swego tworzenia borykał się z wieloma problemami, wśród w d których najistotniejsze to: - finansowanie oraz - zagadnienia struktury sygnałów. Jak na to wskazuje historia rozwoju systemu obydwa problemy sąs ze sobą ściśle związane. zane. Aby pozyskać fundusze na budowę systemu postanowiono uczestnikom, firmom oraz instytucjom finansującym zapewnić dostęp p (na szczególnych warunkach) do serwisów w oferujących lepsze właściwow ciwości. ci. Program pozyskania funduszy nazwano PPP (ang. Public Private Partnership) ) a w ramach systemu GALILEO wydzielono cztery serwisy.

13 GALILEO Przewidywane serwisy dla użytkowniku ytkowników w systemu GALILEO OS OPEN SERVICE SOLS SAFETY OF LIFE SERVICE CS COMMERCIAL SERVICE PRS PUBLIC REGULATED SERVICE Każdy z tych serwisów w charakteryzuje się różnym poziomem usługi ugi oraz opłat atą (wyjątek tek stanowi OS, który jest bezpłatny). atny).

14 GALILEO Transmitowane sygnały y i dostępne serwisy tbd (ang. to be defined) ) dane, które będąb zdefiniowane w przyszłości

15 Na uwagę zasługuje nowa usługa: WSPÓŁPRACA PRACA SYSTEMU GALILEO Z SYSTEMAMI RATOWNICTWA CYWILNEGO SEARCH AND RESCUE

16 Satelitarne systemy nawigacji (SSN) ogólna charakterystyka Satellite Based Augmentation System Systemy transmisji poprzez satelity geostacjonarne poprawek różnicowych oraz danych o pracy GNSS WAAS MSAS EGNOS Wide Area Augmentation System MTSAT Satellite Augmentation System (Multi- functional Transport Satellite) European Geo- stationary Navigation Overlay System Ilość satelitów (max): 18

17 SBAS obszary pokrycia Ameryka Północna Europa Japonia

18 SBAS Zasada pracy wszystkich systemów w SBAS (szeroko-obszarowych obszarowych systemów w różnicowych) r jest ta sama. W ramach systemu na danym obszarze znajduje się określona liczba stacji monitorujących. Stacje te znajdują się w miejscach o znanych współrz rzędnych, wyznaczonych z dużą dokładno adnością. Stacje monitorujące odbierają rzeczywiste sygnały y satelitów w GNSS, opóźnione i zniekształcone w procesie propagacji sygnału u na drodze Satelita Stacja. Pomierzone wartości odległości porównywane sąs w stacjach z wielkościami obliczanymi na podstawie wiedzy o pozycji satelity (znane z danych efemeryd dostarczanych z satelity) oraz pozycji własnej. Otrzymana różnica r (nazywana poprawką) ) transmitowana jest do centrum (centrów), gdzie następuje jej uśrednienie u dla wydzielonej częś ęści obsługiwanego przez system obszaru, wprowadzenie do ustalonego formatu depeszy i transmisja do satelity geostacjonarnego. Satelita geostacjonany jest wynośnym nym nadajnikiem (na wysokości ok km), który dostarcza na częstotliwo stotliwości L1 (1575,42MHz) sygnałów w różnicowych r wszystkim użytkownikom, zaopatrzonym w odbiorniki GPS posiadające opcję dekodowania sygnałów systemów w SBAS. W odbiornikach na etapie obliczania odległości pomiędzy danym satelitą a użytkownikiem uwzględniane sąs dostarczane przez system różnicowy r SBAS poprawki. W rezultacie pozycja użytkownika u zostaje poprawiona i dzięki dodatkowym informacjom przesyłanym przez system SBAS do użytkownika u bardziej wiarygodna. Na chwilę obecną systemy SBAS użytkuju ytkują następuj pującą ilość satelitów w geostacjonarnych: - amerykański WAAS: 2 - japoński MSAS: 2 - europejski EGNOS: 3.

19 EGNOS Zasada pracy Segment naziemny EGNOS składa się z 34 stacji RIMS (ang. Regional Integrity Monitoring Station) monitorujących pomiary odległości i wiarygodność, sygnałów systemu GPS oraz w przyszłości GLONASS i GALILEO. Stacje te podłączone są do zespołu kontroli nazwanego centrum kontroli misji MCC (ang. Mission Control Centre). MCC określa wiarygodność pracy systemów GNSS, różnicową korekcję pseudoodległości dla każdego monitorowanego satelity, opóźnienie jonosferyczne i generuje dane dla satelity geostacjonarnego (GEO) dla obszaru Europy. Dane te przesyłane są do naziemnej stacji nawigacyjnej NLES (ang. Navigation Land Earth Station), a następnie wraz z sygnałem pomiaru odległości (Ranging Signal) GEO do satelitów GEO. Satelity geostacjonarne przesyłają dane do użytkowników na częstotliwości L1 (GPS) z modulacją i sposobem kodowania takim jak w GPS (BPSK). Wszystkie komponenty segmentu naziemnego połączone są między sobą przez sieć komunikacyjną szerokiego obszaru EWAN (ang. EGNOS Wide Area Communications Network).

20 EGNOS Zasada pracy GEO AOR-E IOR-W ARTEMIS GLONASS GPS RIMS NLES (x 6) EWAN MCC 1 MCC 2 MCC 3 MCC 4 PACF ASQF

21 W chwili obecnej system EGNOS dostarcza serwis na obszar Europy jednakże e od 2004 roku prowadzone sąs prace nad poszerzeniem o obszar Afryki

22 Jedna z takich stacji RIMS znajduje się w Centrum Badań Kosmicznych w Warszawie!!!

23 WAAS Budowa i zasada pracy

24 MSAS Budowa i zasada pracy

25 Plany rozwoju systemów w SBAS GAGAN WAAS EGNOS Indie MSAS Ameryka Południowa Afryka

26 Zakres pasm częstotliwo stotliwości zajmowanych przez sygnały systemów w GNSS W rezultacie przewiduje się w roku 2010 możliwo liwość odbioru sygnałów w z ok. 80 satelitów w systemów w GNSS

27 Jako przykład rozwoju technik GNSS prezentowany jest przewidywany wzrost rynku użytkowniku ytkowników w odbiorników w GPS Dochód ze sprzedaży odbiorników GPS [ Billiony $ ] Synchronizacja Geodezja Odbiorniki ręczne Wojsko Transport morski Transport lądowy Telekomunikacja Lotnictwo Przewidywany wzrost % 4% 12% 18% 11% 27% 44% 14% Najwyższy wzrost dla zastosowań komercyjnych Wzrost spowodowany masowym zastosowaniem odbiorników Wzrost wywołany spadkiem cen chip ów GPS Nowe, większe możliwo liwości systemu GALILEO w stosunku do GPS powodują, że e już teraz uważa a się rynek sprzedaży y odbiorników w GNSS za jeden z potencjalnie najbardziej dynamicznie rozwijających cych się w przyszłości.

28 BENEFICJENCI

29 NAWIGACJA MORSKA

30 NAWIGACJA POWIETRZNA

31 Satelitarne systemy lądowania l dowania LAAS Lokalne systemy różnicower GPS L-Band Pseudosatelita VHF Data Broadcast

32 NAWIGACJA LĄDOWAL

33 TURYSTYKA PIESZA I NAWIGACJA NIEWIDOMYCH Odbiorniki typu Handheld oraz Palmtopy

34 SYSTEMY RATOWNICTWA E 911 i 112 ORAZ SERWIS TURYSTYCZNY Dzięki ki połą łączeniu telefonii komórkowej z odbiornikami GPS można określi lić miejsce położenia użytkownika w czasie < 1min Metoda ta nazwana została a A-GPS A GPS (ang. Assistance GPS) ) i jest szeroko stosowana w systemach ratownictwa E 911 w Stanach Zjednoczonych. W Europie dla 112 prace nad tym sposobem lokalizacji zdarzenia wciw ciąż trwają.

35 Synchronizacja czasu ODBIORNIK GPS Telekomunikacja Bankowość Δ < 100ns Wojsko ODBIORNIK GPS Odbiorniki systemu GPS pracują w jednolitej globalnej skali czasu GPS z błęb łędem dosynchronizowania nie przekraczającym cym 100ns.

36 DZIAŁANIA ANIA INSTYTUTU RADIOELEKTRONIKI NA POLU GNSS KIERUNKI BADAŃ REALIZOWANYCH W INSTYTUCIE Zintegrowane systemy nawigacyjne Modelowanie jonosfery i troposfery Lokalne osie czasu Systemy justowania anten Systemy orientacji przestrzennej Systemy lądowania l oparte o sygnały y GNSS Testowanie i badanie różnych r nych konstrukcji odbiorników Większo kszość tych prac realizowanych jest z wykorzystaniem symulatora GNSS

37 LABORATORIUM RADIOELEKTRONIKI LOTNICZEJ SYMULATOR SYSTEMU GNSS Jedyne w Polsce tej klasy urządzenie

38 Modelowane w symulatorze elementy systemu GNSS Segment kosmiczny System LAAS propagacja sygnału SYSTEM GPS Segment użytkowników Systemy SBAS

39 Jako jedyni w Polsce realizujemy weryfikację możliwo liwości danego odbiornika do określonej aplikacji badając: - odporność na zakłócenia - zachowanie odbiornika w warunkach dynamicznych i statycznych Jako trzeci na świecie i jedyni w Polsce realizujemy wzorcowanie odbiorników w wykorzystywanych w ramach sieci generacji międzynarodowego czasu UTC. PRZYJDŹ OBEJRZYJ