GIS MOBILNY 3. Pozycjonowanie satelitarne

Transkrypt

1 GIS MOBILNY 3. Pozycjonowanie satelitarne Dr inż. Jan Blachowski Politechnika Wrocławska Instytut Górnictwa Zakład Geodezji i GIS Pl. Teatralny 2 tel (71)

2 GIS MOBILNY WYKŁAD.3 - SYLLABUS Parametry orbity sztucznego satelity Ziemi Podstawy układów odniesienia Charakterystyka systemu NAVSTAR-GPS Zasada satelitarnego wyznaczania pozycji Metody i techniki pomiarowe Światowy Satelitarny System Nawigacyjny GNSS Satelitarne systemy wspomagania wyznaczania pozycji (SBAS WAAS/EGNOS/MSAS) Modernizacja NAVSTAR-GPS Galileo GLONASS Aktywna Sieć Geodezyjna ASG-EUPOS

3 OKREŚLANIE POZYCJI ZA POMOCĄ NAWIGACYJNYCH SYSTEMÓW SATELITARNYCH Naziemny system radionawigacyjny Pozycja użytkownika określana na podstawie zmierzonych parametrów pozycyjnych w stosunku do znaków nawigacyjnych (nadawczych lub odbiorczych), których współrzędne pozycji są znane Satelitarny system radionawigacyjny Pozycja użytkownika określana podobnie znakami o znanych współrzędnych są satelity emitujące częstotliwości pomiarowe, Dla orbit o płaszczyznach nie pokrywających się z płaszczyzną równika, współrzędne satelity zależą od czasu, W systemie GPS współrzędne obliczane są w odbiorniku na podstawie znajomości elementów orbit wszystkich wykorzystywanych do tego celu satelitów, W systemie GPS pomiar parametru nawigacyjnego (odległość) odbywa się poprzez pomiar czasu przebiegu fali na drodze satelita odbiornik. (Januszewski, 2006) 3

4 ORBITA SATELITY Elementy charakteryzujące orbity sztucznych satelitów Ziemi Kształt: eliptyczne i kołowe Odległość od powierzchni Ziemi: LEO (Low Earth Orbit), MEO (Medium Earth Orbit), HEO (High Earth Orbit) Kąt nachylenia płaszczyzny orbity satelity względem płaszczyzny równika (kąt inklinacji i): równikowe (i = 0º), nachylone, biegunowe (i=90º) W satelitarnych systemach nawigacyjnych do tej pory stosowano: Orbity niskie (LEO): wysokość km, okres obiegu ( T) ok. 100 min., na przykład system Transit Wady: czas obserwacji krótki i ograniczony do niewielkiego obszaru Ziemi Zalety: nie wymaga aparatury o dużej mocy, możliwość obserwacji dopplerowskich Orbity średnie (MEO): wysokość kilkanaście do dwudziestu kilku tys. km, okres obiegu ( T) 11 do 14 godz. Wady: wymaga aparatury o dużej mocy, znaczna odległość od powierzchni Ziemi Zalety: nieprzerwana łączność 10 do 11 godz., widziany z większego obszaru Ziemi 4

5 ORBITA SATELITY Kształt orbity zależy od prędkości początkowej ( vp) Prędkość satelity na orbicie kołowej ( vk) zależy od wysokości orbity. Im wysokość większa tym prędkość mniejsza a okres obiegu dłuższy Tab. Porównanie: prędkość i okres jednego obiegu satelity dla wybranych wysokości orbity kołowej, na podst. (Januszewski, 2006) Wysokość (h) [km] Prędkość (vk) [km/s] Okres (T) (GLONASS) godz. 15 min 44 sek (GPS) godz. 57 min 58.3 sek (Galileo) godz. 21 min 16 sek (satelita geostacjonarny) godz. 56 min 04 sek 5

6 WIDZIALNOŚĆ SATELITY Widzialność satelity i parametry ją opisujące Zdolność obserwacji satelity przez użytkownika, (Satelita jest widzialny gdy znajduje się powyżej topocentrycznego horyzontu obserwatora) Strefa widzialności, Azymut satelity w chwili wschodu i zachodu (w chwili kulminacji azymut i wysokość topocentryczna) wraz z odpowiadającymi im momentami czasu, Czas po upływie którego nastąpi wschód lub zachód satelity, Czas przebywania satelity powyżej topocentrycznego horyzontu obserwatora P S Rz Oz hs Rys. Strefa widzialności (η) satelity (S) przez obserwatora (P) (Januszewski, 2006) Strefa widzialności η - Kąt mierzony łukiem koła przechodzącego przez punkt zawarty w obszarze ograniczającym zasięg, gdzie Rz promieniem Ziemi a hs aktualną wysokością satelity nad powierzchnią Ziemi η = arccos R RZ +, Z h S 6

7 WIDZIALNOŚĆ SATELITY Widzialność satelity i parametry ją opisujące Zdolność obserwacji satelity przez użytkownika, (Satelita jest widzialny gdy znajduje się powyżej topocentrycznego horyzontu obserwatora) Strefa widzialności, Azymut satelity w chwili wschodu i zachodu (w chwili kulminacji azymut i wysokość topocentryczna) wraz z odpowiadającymi im momentami czasu, Czas po upływie którego nastąpi wschód lub zachód satelity, Czas przebywania satelity powyżej topocentrycznego horyzontu obserwatora S η PZ RZ OZ Rys. Powierzchnia Ziemi PZ leżąca w zasięgu satelity (Januszewski, 2006) Zasięg satelity PZ powierzchnia Ziemi leżąca w jego zasięgu, równa powierzchni czaszy o wysokości hcz wyciętej ze sfery o promieniu RZ h cz P = Z R Z = 2π (1 - cosη ), Rh, Z cz Dla satelitów umieszczonych na orbitach kołowych (np. GPS) ich zasięg określany za pomocą powierzchni P Z jest wielkością prawie stałą gdyż wysokość h s jest równa wysokości orbity 7

8 ELEMENTY ORBITY SATELITY Elementy charakteryzujące orbitę satelity (4 kołową, 6 eliptyczną) umożliwiają obliczenie aktualnych współrzędnych pozycji oraz składowych prędkości poszczególnych satelitów Określa się je zazwyczaj we współrzędnych prostokątnych w geocentrycznym układzie ziemskim Trzy określają położenie satelity na orbicie w chwili t: a - duża półoś elipsy, e - mimośród elipsy, fv - anomalia prawdziwa (odległość kątowa satelity od punktu perigeum) Dwa określają położenie płaszczyzny orbity w przestrzeni: Ω - rektascensja (długości geograficznej) węzła wstępującego, gdzie w.w. to punkt w którym satelita przechodzi z półkuli południowej do północnej, kąt liczony jest od południka Greenwich i - kąt nachylenia płaszczyzny orbity satelity względem płaszczyzny równika (kąt inklinacji) Jeden określa położenie orbity w jej płaszczyźnie: ω - argument perigeum (odległość kątowa punktu perigeum (P) od płaszczyzny równika) orientuje elipsę orbity w płaszczyźnie orbitalnej 8

9 ELEMENTY ORBITY SATELITY Elementy charakteryzujące orbitę satelity (4 kołową, 6 eliptyczną) umożliwiają obliczenie aktualnych współrzędnych pozycji oraz składowych prędkości poszczególnych satelitów Określa się je zazwyczaj we współrzędnych prostokątnych w geocentrycznym układzie ziemskim Dla satelity umieszczonego na orbicie kołowej następujące elementy orbity umożliwiają obliczenie współ. prostokątnych Ω r i u - rektascensja (długość geograficzna) węzła wstępującego - promień orbity, - kąt nachylenia orbity satelity względem płaszczyzny równika (kąt inklinacji), - argument szerokości 9

10 ELEMENTY ORBITY SATELITY Rys. Orbita satelity w jej płaszczyźnie a - duża półoś orbity satelity, b - mała półoś orbity satelity, r - promień wodzący określający położenie satelity na orbicie w momencie t, P - punkt perigeum (punkt najbliższy ogniska elipsy), fv - anomalia prawdziwa (odległość kątowa satelity od punktu perigeum) E - anomalia ekscentryczna (kąt pomiędzy dużą półosią i promieniem wodzącym punktu określonego przez rzut satelity (S) na koło o promieniu dużej półosi 10

11 ELEMENTY ORBITY SATELITY Rys. Orbita satelity w przestrzeni Ω - rektascensja węzła wstępującego orbity satelity, i - nachylenie płaszczyzny orbity satelity względem płaszczyzny równika, ω - argument perigeum (odległość kątowa punktu perigeum (P) od płaszczyzny równika), fv - anomalia prawdziwa (odległość kątowa satelity od punktu perigeum) 11

12 PARAMETRY POŁOŻENIA SATELITY W PRZESTRZENNYM UKŁADZIE WSPÓŁRZĘDNYCH PROSTOKĄTNYCH W procesie obliczania współrzędnych obserwatora na podstawie parametrów nawigacyjnych współrzędne obserwatora i wszystkich wykorzystywanych satelitów muszą być wyrażone w tym samym układzie Rys. Zależność między współrzędnymi prostokątnymi i współrzędnymi geograficznymi (B, L) punktu P na powierzchni elipsoidy Układy współrzędnych stosowane w satelitarnych systemach nawigacyjnych geocentryczne, ziemskie, prawoskrętne, przestrzenne układy współrzędnych prostokątnych 12

13 PARAMETRY POŁOŻENIA SATELITY W PRZESTRZENNYM UKŁADZIE WSPÓŁRZĘDNYCH PROSTOKĄTNYCH Stąd, Pozycja dowolnego punktu (P) na powierzchni Ziemi określana jest jednoznacznie za pomocą współrzędnych geodezyjnych (B, L, h) lub kartezjańskich geocentrycznych (X, Y, Z) w umownym systemie elipsoidalnym (np. WGS-84) Zależność między satelitarnym, który ma swój początek w centrum mas Ziemi, a układem elipsoidalnym jest określony prostymi formułami, pod warunkiem, że geometryczny środek elipsoidy pokrywa się ze środkiem mas Ziemi. Pomiędzy współrzędnymi geograficznymi B, L punktu P na elipsoidzie a jego współrzędnymi prostokątnymi istnieją więc zależności: L = arctg ( YX ) B = arctg[ Z+ R N e 2 sin( B ) X cos( L) + Y sin( L) ] Gdzie: RN to długość odcinka normalnej mierzonej od punktu P 0 do punktu S przecięcia z osią obrotu elipsoidy (promień krzywizny przekroju poprzecznego pierwszego wertykału), (funkcja szerokości B), e2 to kwadrat pierwszego mimośrodu, e2 = (a2-b2)/a2 = a - duża półoś elipsoidy ziemskiej, a= m 13

14 PARAMETRY POŁOŻENIA SATELITY W PRZESTRZENNYM UKŁADZIE WSPÓŁRZĘDNYCH PROSTOKĄTNYCH Stąd, Pozycja dowolnego punktu (P) na powierzchni Ziemi określana jest jednoznacznie za pomocą współrzędnych geodezyjnych (B, L, h) lub kartezjańskich geocentrycznych (X, Y, Z) w umownym systemie elipsoidalnym (np. WGS-84) Zależność między satelitarnym, który ma swój początek w centrum mas Ziemi, a układem elipsoidalnym jest określony prostymi formułami, pod warunkiem, że geometryczny środek elipsoidy pokrywa się ze środkiem mas Ziemi. Jeśli znane są wielkości B, L i h to współrzędne X, Y Z oblicza się z zależności: X = ( RN + h) cos( B) cos( L) Y = ( RN + h) cos( B) sin( L) Z = sin B ( RN (1 e 2) + h) 14

15 UKŁADY ODNIESIENIA Układ odniesienia - Określony system współrzędnych, oparty na konkretnej powierzchni odniesienia (elipsoidzie obrotowej) w znany sposób zorientowany w stosunku do powierzchni Ziemi Rys. Fizyczna powierzchnia Ziemi, elipsoida i geoida Geoida Teoretyczna powierzchnia Ziemi, która pokrywa się z przedłużonym pod lądami średnim poziomem mórz i oceanów, Powierzchnia o jednakowym potencjale siły ciężkości, Niejednorodność mas Ziemi powoduje, że powierzchnia geoidy ma nieregularny kształt, Nie ma równania matematycznego stąd nie może być przyjęta za powierzchnię odniesienia, Powierzchnia geoidy jest definiowana w toku pomiarów geodezyjnych. 15

16 UKŁADY ODNIESIENIA Układ odniesienia - Określony system współrzędnych, oparty na konkretnej powierzchni odniesienia (elipsoidzie obrotowej) w znany sposób zorientowany w stosunku do powierzchni Ziemi Rys. Fizyczna powierzchnia Ziemi, elipsoida i geoida Elipsoida Elipsoida obrotowa matematyczne przybliżenie powierzchni Ziemi (powierzchnia umowna opisana formułami matematycznymi) Umożliwia definiowanie układów współrzędnych krzywoliniowych i odwzorowanie powierzchni elipsoidy na płaszczyźnie. 16

17 UKŁADY ODNIESIENIA Układy odniesienia stosowane w nawigacyjnych systemach satelitarnych to: Układy globalne, Układy lokalne Globalne układy globalne Powierzchnia elipsoidy odniesienia na całej powierzchni Ziemi jest jak najbardziej zbliżona do powierzchni geoidy, Geocentryczne, o początku w środku mas Ziemi Najczęściej stosowany World Geodetic System 1984 (WGS-84) Charakterystyka System współrzędnych ortokartezjańskich, Początek układu współrzędnych pokrywa się ze środkiem mas Ziemi, Oś Z skierowana do umownego bieguna ziemskiego (Conventional Terrestial Pole - CTP), Kierunek osi X wyznaczony przez przecięcie płaszczyzny południka i płaszczyzny równika związanego z umownym biegunem ziemskim (CTP) 17

18 UKŁADY ODNIESIENIA Układy odniesienia stosowane w nawigacyjnych systemach satelitarnych to: Układy globalne, Układy lokalne Lokalne układy globalne Powierzchnia elipsoidy odniesienia jest jak najbardziej zbliżona do powierzchni geoidy na objętym danym układem fragmencie powierzchni Ziemi, Quasigeocentryczne, o początku w środku przyjętej elipsoidy odniesienia Odbiorniki GPS wskazują pozycję w układzie globalnym (WGS-84) i wybranej liczbie układów lokalnych Np. układ 1992, układ

19 UKŁADY ODNIESIENIA Układ "1992" Jednostrefowe dla obszaru Polski (w szerokim 10stopniowym pasie południkowym) odwzorowanie Gaussa - Krügera elipsoidy GRS-80 z południkiem osiowym (środkowym) Lo=19 Skala długości na południku (skali kurczenia) mo = Kompromisowe rozłożenie liniowych zniekształceń odwzorowawczych, które wynoszą od -70 cm/km na południku środkowym do ok. +90 cm/km w skrajnych, wschodnich obszarach Polski, Przeznaczony dla map w skalach 1:10000 i mniejszych. Stosowany również w obliczeniach państwowych osnów geodezyjnych. 19

20 UKŁADY ODNIESIENIA Układ 2000" Złożony z czterech stref, każda powstała jako odwzorowanie Gaussa - Krügera elipsoidy GRS-80 w pasie południkowym 3o ze skalą kurczenia na południku osiowym każdej strefy mo = Przyjęto następujące południki osiowe: 15 o, 18o, 21o, 24o, układy oznaczane: 2000/15, 2000/18, 2000/2, 2000/24, Zniekształcenia odwzorowawcze na południku osiowym wynoszą -7.7 cm/km. Na styku sąsiednich stref w obszarze Polski wynoszą maksymalnie ok. + 7 cm/km. Układ 2000 jest przeznaczony dla map gospodarczych wielkoskalowych. 20

21 UKŁADY ODNIESIENIA Rozporządzenie z dnia 8 sierpnia 2000 (DZ.U. nr 70 z dn r., poz. 821). wprowadziło do stosowania nowy Państwowy System Współrzędnych Geodezyjnych oparty o Europejski System Odniesień Przestrzennych ETRF'89. ITRS (ang. International Terrestrial Reference System) globalny (międzynarodowy) system odniesień przestrzennych, ETRS (ang. European Terrestrial Reference System) - europejski (podsystem kontynentalny) system odniesień przestrzennych, 21

22 UKŁADY ODNIESIENIA Jako elipsoidę odniesienia dla systemu WGS84 przyjęto podobne parametry jak dla elipsoidy GRS80 (World Reference System 1980) Różnice parametrów geometrycznych elipsoid obu modeli (GRS-80 / WGS-84) wynoszą 0.1 mm Stałe standardowe (Podstawowe stałe definiujące) Równikowy promień Ziemi (duża półoś elipsoidy ziemskiej) a = m Geocentryczna stała grawitacyjna Ziemi GM = x 10-8 m3s-2 J2 = x 10-8 Dynamiczny współczynnik kształtu Ziemi Kątowa prędkość Ziemi ω = x rad s-1 Pochodne stałe definiujące (geometryczne), np. mała półoś elipsoidy ziemskiej kwadrat pierwszego mimośrodu Stałe fizyczne (7), Masa Ziemi b= m e2 = (a2-b2)/a2 = x1024 kg 22

23 PODSUMOWANIE SUMMARY Orbity sztucznych satelitów charakteryzują: kształt, odległość od Ziemi oraz kąt nachylenia płaszczyzny orbity względem równika, Parametry charakteryzujące orbitę satelity w przestrzeni to: duża półoś elipsy, mimośród elipsy, anomalia prawdziwa (odległość kątowa satelity od punktu perigeum najbliższego ogniska elipsy), rektascensja (długość geograficzna) punktu, w którym satelita przechodzi z półkuli południowej do północnej, kąt inklinacji czyli nachylenia płaszczyzny orbity satelity względem płaszczyzny równika oraz argument perigeum (odległość kątowa punktu perigeum od płaszczyzny równika), Geoida to teoretyczna powierzchnia Ziemi o jednakowym potencjale siły ciężkości, która pokrywa się z przedłużonym pod lądami średnim poziomem mórz i oceanów, Elipsoida to matematyczne przybliżenie powierzchni Ziemi 23

25 SYSTEM NAVSTAR - GPS Rys. Schemat funkcjonalny segmentów systemu pozycjonowania satelitarnego GPS (Miś, 2000) 25

26 SYSTEM NAVSTAR - GPS Tab. Charakterystyka segmentów systemu GPS i przepływ informacji między nimi (Januszewski, 2006) SEGMENT INFORMACJE WEJŚCIOWE REALIZOWANE ZADANIA INFORMACJE WYJŚCIOWE Kosmiczny - depesza nawigacyjna, - komendy dotyczące pracy satelity - generowanie sygnału, - przechowywanie depeszy nawigacyjnej - sygnały nawigacyjne, - efemerydy pokładowe - dane telemetryczne Naziemny - sygnały nawigacyjne, - Telemetria, - UTC - kalibracja czasu systemu, - obliczanie efemeryd, - sterowanie pracą stacji naziemnych - depesza nawigacyjna, - polecenia sterujące Użytkownika - sygnały nawigacyjne, - efemerydy pokładowe - pomiar pseudoodległości, - obliczenia nawigacyjne - współrzędne użytkownika, - czas, - wektor prędkości użytkownika 26

27 NAVSTAR GPS (SEGMENT KOSMICZNY) 24 satelity 6 orbit po 4, Od końca lat 90-tych przyjmuje się 24+n jako łączną liczbę satelitów Konstelacja zapewnia obserwacje min. 4 satelitów w każdym punkcie na powierzchni Ziemi przez 23h i 56min Orbity kołowe, wysokość km, płaszczyzny orbit nachylone pod kątem 55 stopni względem równika, Każdy satelita emituje częstotliwości pomiarowe, transmituje sygnały czasu własnego zegara pokładowego, retransmituje informacje dotyczące położenia satelity w przestrzeni (efemerydalne) oraz dane identyfikacyjne 27

28 NAVSTAR GPS (SEGMENT KOSMICZNY) Podsystemy satelity: Wprowadzenia na właściwą orbitę, Śledzenia telemetrii i sterowania, Kontroli wysokości i prędkości satelity, Kontroli (praca silników korekcyjnych), Nawigacyjny, Kontroli termicznej, Zasilania Satelita Bloku IIR Koszt ok. $ , Przewidywana żywotność 7-8 (>10) lat, Ciężar ok kg, Sześcian o boku ok. 2.1m ok części, 4 zegary atomowe, 22 silniczki sterujące, Kilkanaście anten, w tym szerokopasmowa antena pasma mikrofalowego L, Autonomiczne działanie przez 180 dni 28

29 NAVSTAR GPS (SEGMENT KOSMICZNY) Numer identyfikacyjny (SVN - Space Vehicle Number) Blok 0 (2 ostatnie satelity TIMATION) Blok I (11, planowana żywotność 3-4 lata) Blok II (28), Blok IIa, (od 1990 roku), Blok IIR (Replacement) (20+6 satelitów), Blok IIR-M (Replacement Modernized), Blok IIF (Future / Follow-Up), 29

30 CHARAKTERYSTYKA SYGNAŁÓW GPS (OBECNA) Sygnał emitowany przez satelity GPS ma postać fali nośnej, kodowanej fazowo sygnałami pseudolosowymi kodami C/A, P (lub Y) i informacyjnym, L2 L1 30

31 CHARAKTERYSTYKA SYGNAŁÓW GPS (OBECNA) Elementy sygnału satelity GPS (na podstawie Scherrer, 1986) Satelita GPS zegar atomowy o częstotliwości MHz - to podstawowa częstotliwość systemu L1 pierwsza częstotliwość nośna MHz = 154 x Mhz, Modulowana kodem C/A (Coarse Acquisition) i kodem P (Precise) L2 druga częstotliwość nośna MHz = 120 x MHz Modulowana kodem P Częstotliwości są koherentne i generowane w wyniku przemnożenia częstotliwości podstawowej 31

32 CHARAKTERYSTYKA SYGNAŁÓW GPS (OBECNA) Elementy sygnału satelity GPS (na podstawie Scherrer, 1986) Kod C/A (Coarse Acquisition) Pseudoprzypadkowy szum indywidualny dla każdego satelity, Wytwarzany w wyniku modulacji częstotliwości podstawowej, Częstotliwość MHz, Długość fali m, Bardzo krótki czas powtarzania = 1 milisekunda, Ogólnodostępny Kod P(Y) (Precise/Protected) Pseudoprzypadkowy szum indywidualny dla każdego satelity, Wytwarzany w wyniku modulacji fali podstawowej, Częstotliwość MHz, Długości fali m, Bardzo długi okres powtarzania = dnia 32

33 DEPESZA SATELITARNA (SYGNAŁ INFORMACYJNY) Przekazywana w tempie 50 bps w czasie 12.5 min 30 s 5 x 6 s x 25 (pełen zakres informacji) Składa się z 5 podzakresów Blok I: poprawki zegara satelity, status dokładność 6s satelitów, zdrowie satelity, wiek danych Blok II i III: efemerydy (parametry orbit satelity,. współczynniki pozwalające obliczenie współrzędnych X, 30 Y, Z (WGS84) satelity na czas obserwacji) bitów Rys. Struktura jednostki podstawowej depeszy satelitarnej, Blok IV: Anti-spoofing, status satelitów (nr > 24) 5 bloków po 10 słów liczących 30 bitów Blok V: Almanach (keplerowskie elementy orbity satelitów) Almanach (Almanac) Zbiór danych opisujących orbity (informacje o przybliżonej pozycji i czasie) wszystkich aktywnych satelitów GPS. Odbiorniki GPS wykorzystują almanach do określenia położenia satelitów względem miejsca w którym się znajdują. Aktualny almanach może być użyty do planowania przyszłych sesji pomiarowych Efemerydy (Ephemeris) Zbiór danych o precyzyjnym położeniu (elementy orbitalne) konieczne do obliczenia jego współrzędnych, momentu wysłania sygnału oraz ustalenia czasu systemu GPS Pathfinder Office 2.70, User Manual, , Trimble Navigation Limited. 33

35 SEGMENT NAZIEMNY Zadania kierowanie i zarządzanie systemem, ustalanie i utrzymywanie orbit satelitów, śledzenie satelitów (obróbka telemetryczna), prowadzenie kontroli czasu, obliczanie orbit satelitów (efemeryd), przekazywanie wyników do pamięci satelitów, Struktura Główna stacja kontrolna (Master Control Station), Stacje monitorujące (Monitoring Stations), Stacje kontroli (Ground Antennas) Obsługa 2 Dywizjon Operacji Kosmicznych Sił Powietrznych USA we współpracy z: Centrum Kontroli Satelitarnej Sił Powietrznych, Obserwatorium Marynarki Wojennej USA, Wojskową Agencją Kartograficzną, Laboratorium Napędów Odrzutowych 35

36 SEGMENT NAZIEMNY Lokalizacja stacji segmentu kontroli (Peter Dana, 1995) Główna stacja kontrolna (MCS - Master Control Station) baza lotnicza w Falcon, Colorado Springs, 5 stacji monitorujących (Monitoring Stations) rozmieszczonych wokół kuli ziemskiej (Hawaje, Wyspa Wniebowstąpienia, Diego Garcia, Atol Kwajalein, Colorado Springs), 3 stacje kontrolne (Ground Antennas) służące do utrzymania łączności z satelitami (Atol Kwajalein, Wyspa Wniebowstąpienia, Diego Garcia), 36

37 SEGMENT NAZIEMNY Depesza nawigacyjna, Polecenia i zadania Sygnały nawigacyjne, Efemerydy pokładowe GŁÓWNA STACJA KONTROLNA ANTENA TELEMETRYCZNA STACJA MONITORUJĄCA Rys. Obieg informacji systemu łączności segmentu kontroli Wyposażenie MCS dublowane jednoczesne śledzenie i prowadzenie obliczeń, Stan systemu uaktualniany co 15 min, czas potrzebny na ustanowienie satelity jako niesprawnego ok min 37

39 SEGMENT UŻYTKOWNIKA Podział użytkowników ze względu na dostęp do informacji PPS (Precise Positioning Service), SPS (Standard Positioning Service) Podział użytkowników cywilnych ze względu na rodzaj i przeznaczenie odbiorników GPS nawigacyjne (mała dokładność), geodezyjne (duża dokładność), specjalne (wysoka dokładność) Podział użytkowników ze względu na rodzaj pomiaru pseudoodległości, fazy częstotliwości nośnej 39

40 SEGMENT UŻYTKOWNIKA POZYCJONOWANIE (Surveying, Locating) NAWIGACJA (Navigation) KIEROWANIE (Guidance) KARTOWANIE (Mapping) ŚLEDZENIE (Tracking) SYNCHRONIZACJA CZASU (Timing) 40

41 PODSUMOWANIE SUMMARY Strukturę systemu NAVSTAR-GPS tworzą segmenty: kosmiczny (satelitarny), naziemny (kontroli) i użytkownika (odbiorniki), Segment kontroli to: główna stacja nadzoru, stacje kontroli i stacje monitorujące, Podstawowe zadania to: zarządzanie całością systemu, ustalanie i utrzymywanie orbit satelitów, prowadzenie kontroli czasu, Segment kosmiczny to: nominalnie 24 (+3) satelity rozmieszczone po 4 na 6 orbitach i transmitujące 2 częstotliwości pomiarowe oraz depeszę satelitarną, Każdy satelita transmituje kod binarny C/A na częstotliwości L1 i kod binarny P na częstotliwościach L1 i L2, Użytkowników rozróżnić można ze względu na rodzaj wykonywanych obserwacji: pomiar fazy fali nośnej, pomiar kodu pseudodległości lub dostępu do informacji: standardowy serwis pozycyjny - SPS, precyzyjny serwis pozycyjny - PPS 41

43 ZASADA WYZNACZANIA POZYCJI Pomiar polega na wyznaczeniu odległości od satelity do odbiornika GPS promień punkt znajduje się gdzieś na powierzchni sfery Wyznaczenie pozycji następuje na zasadzie przestrzennego liniowego wcięcia wstecz 4 satelity potrzebne do wyznaczenia pozycji (3D) 4 niewiadome: (X, Y, Z) odbiornika oraz poprawka odbiornika anteny zegara dwa pomiary zawężają pozycję do zakreskowanego pola trzy pomiary ograniczają pozycję do punktów oznaczonych kropkami Czwarty satelita pozwala na wyznaczenie poprawki pseudoodległości potrzebnej do zsynchronizowania zegara odbiornika do czasu GPS. 43

44 ZASADA WYZNACZANIA POZYCJI W GPS możliwe są 3 rodzaje obserwacji: Pseudoodległości czyli odległości między satelitą a odbiornikiem w trakcie transmisji i odbioru sygnału Fazy czyli różnicy między fazami sygnału satelity mierzonymi przez odbiornik w kolejnych epokach pomiaru Dopplerowskie (efekt zmiany częstotliwości fali nośnej w wyniku ruchu nadajnika względem obserwatora wykorzystywany w nawigacji do określenia prędkości obserwatora) Dwa podstawowe sposoby pomiarów pozycji: Wyznaczenie współrzędnych metodą bezwzględną (absolutną) pojedynczym odbiornikiem Współrzędne anteny odbiornika (X, Y, Z) określane w globalnym, geocentrycznym układzie WGS 84 (World Geodetic System 84) Metoda względnego wyznaczania pozycji z użyciem min. dwóch odbiorników GPS Polega na określeniu różnic współrzędnych między punktami pomiarowymi ( X, Y, Z) 44

45 ZASADA WYZNACZANIA POZYCJI (OBSERWACJE KODU) Pseudoodległość to odległość między satelitą a odbiornikiem w trakcie transmisji i odbioru sygnału obliczana na podstawie pomiaru czasu potrzebnego na dotarcie sygnału od satelity do odbiornika pseudoodległość gdyż różni się od rzeczywistej odległości ze względu na błędy: synchronizacji zegarów satelity i odbiornika, przejścia sygnału przez atmosferę (opóźnienie jonosferyczne i troposferyczne) 45

46 ZASADA WYZNACZANIA POZYCJI (OBSERWACJE KODU) Czas dotarcia sygnału określany przez porównanie (korelacja) sygnałów kodowych (C/A) lub sygnałów (C/A i P) mających postać PRN (pseudo-random noise) generowanych przez satelitę z sygnałami o takiej samej postaci wytwarzanymi przez odbiornik (Replica Code) Przesunięcie kodów względem siebie do uzyskania korelacji to czas przebiegu sygnału na drodze satelita-odbiornik, Czas pomnożony przez prędkość fali elektromagnetycznej daje odległość satelitaodbiornik GPS w chwili pomiaru 46

47 ROZWIĄZANIE NAWIGACYJNE P = ( t k t s ) c, Gdzie: P - pseudoodległość (pseudorange), tk - czas odbioru sygnału satelity przez odbiornik, ts - czas transmisji sygnału przez satelitę, Rys. Rozwiązanie nawigacyjne (pomiar bezwzględny) c - prędkość fali elektromagnetycznej. 47

48 ROZWIĄZANIE NAWIGACYJNE P = ( t k t s ) c, Stąd, równanie obserwacyjne pseudoodległości P = ( t k t s ) c = r + ( δ t k + δ t s ) c + δ r ion + δ r trop + ε r, Rys. Rozwiązanie nawigacyjne (pomiar bezwzględny) P tk ts c - pseudoodległość (pseudorange), - czas odbioru sygnału satelity przez odbiornik, - czas transmisji sygnału przez satelitę, - prędkość fali elektromagnetycznej. r - geometryczna odległość satelity od stacji GPS, δ ts δ r trop δ r ion δ tk ε r - błąd czasu systemu GPS, - błąd refrakcji troposferycznej, - błąd refrakcji jonosferycznej, - błąd synchronizacji zegarów satelity i odbiornika, - błędy pomiarowe 48

49 ROZWIĄZANIE NAWIGACYJNE Odległość i-tego satelity od anteny odbiornika Si r = ( xsi x )2 + ( y Si y )2 + ( z Si z ) 2, Równanie pseudodległości Si Pr = ( xsi x )2 + ( y Si y )2 + ( z Si z )2 + δ t s c, gdzie Rys. Rozwiązanie nawigacyjne (pomiar bezwzględny) x, y, z Si Si Si x,y,z δ ts c - współrzędne prostokątne odbiornika - współrzędne prostokątne satelitów, i= 1, 2, 3, 4, - poprawka pseudoodległości 49

50 ZASADA WYZNACZANIA POZYCJI POMIAR FAZY FALI NOŚNEJ (ZARYS) Obserwacje fazy fali nośnej Polegają na pomiarze fazy fali nośnej odbieranego sygnału satelitarnego, Różnica między fazami sygnału satelity mierzonymi przez odbiornik w kolejnych epokach pomiaru Mierzone wielkości Nieznana liczba cykli fali nośnej między satelitą a odbiornikiem (N), (w uproszczeniu) pozostała część fazy częstotliwości nośnej ( ϕn) N Nieoznaczoność (Ambiguity) liczba cykli fazy fali nośnej S(t2) S(t1) ϕ1 S(t0) N N ϕ2 N Rys. Geometryczna interpretacja pomiaru fazy 50

51 ZASADA WYZNACZANIA POZYCJI POMIAR FAZY FALI NOŚNEJ (ZARYS) S1 S1 S2 wektor A wektor B A B Rys. Zasada tworzenia pojedynczej i podwójnej różnicy fazy Pomiary fazowe wykorzystywane są w metodach względnych do precyzyjnego wyznaczenia współrzędnych punktów, Metody względne polegają na wyznaczaniu współrzędnych nieznanego punktu względem współrzędnych drugiego punktu przyjętego za stały, Wymagają jednoczesnych pomiarów odbiornikami GPS na dwóch lub więcej punktach, Po wykonaniu pomiarów w wyniku operacji matematycznych tworzone są nowe obserwacje tzw. pojedyncze różnice faz (rys. 1), podwójne różnice faz (rys. 2) lub potrójne różnice faz są to liniowe kombinacje wykonanych obserwacji Eliminują niektóre błędy aparaturowe, (1) błędy zegara satelity, (2) błędy zegara odbiornika 51

52 METODY POMIARU SIECI GEODEZYJNYCH Radialna stosowana dla pary odbiorników Jeden odbiornik pozostaje na wybranym punkcie przez cały czas wykonywania pomiarów, drugi ustawiany jest na kolejnych punktach na czas ich pomiaru. Stosowana przy ograniczonej liczbie odbiorników. Zamkniętych figur geometrycznych (dla trzech lub więcej odbiorników)* Odbiorniki GPS ustawiane są na wybranych punktach mierzonej sieci w różnych konfiguracjach w kolejnych epokach pomiarowych. Poszczególne punkty mogą być wyznaczane kilkukrotnie w różnych konfiguracjach wektorów 52

53 METODY WZGLĘDNEGO WYZNACZANIA POZYCJI Podstawowy podział technik pomiarowych Statyczne (odbiorniki nieruchome), Kinematyczne (odbiorniki poruszają się w trakcie pomiarów), Pośrednie: Szybka statyczna (FastStatic), Pseudostatyczna (pseudokinematyczna), Półkinematyczna (Stop & Go)... znany nieznany Charakterystyka Najdokładniejsze, możliwość osiągnięcia dokładności milimetrowych, Opracowanie danych po pomiarze, z użyciem komputerowych programów obliczeniowych, Ograniczone pod względem zasięgu ( Real Time Kinematic) i czasu, Wyznaczane współrzędne określane względem drugiego punktu obliczana różnica współrzędnych, Wymagane 2 lub więcej odbiorników (mierzących fazę) w tym samym czasie, Technika pomiaru (powyżej) uzależniona od oczekiwanej dokładności wyznaczeń współrzędnych, klasy oraz ilości posiadanych odbiorników GPS 53

54 METODA STATYCZNA (ZARYS) Odbiorniki (min. 2) obserwują te same satelity, Obserwacje składają się z jednej lub kilku sesji pomiarowych, Najwyższe dokładności, oczekiwane dokładności względne ±1 ppm (1 mm/km) długości wyznaczanego wektora Podstawowa metoda pomiarowa w zastosowaniach geodezyjnych Długość sesji od kilku minut do kilku dni, zależy od oczekiwanych dokładności, odległości między mierzonymi punktami Tab. Charakterystyka pomiarów sieci geodezyjnych techniką statyczną (oprac. na podst. Lamparski, 2001) SIEĆ OCZEKIWANA DOKŁADNOŚĆ [cm] ODLEG. MIĘDZY PUNKTAMI [km] DŁUGOŚĆ SESJI OBSERWACYJNEJ Osnowa III klasy min. Osnowa II klasy godz. Osnowa I klasy godz. Osnowa 0 klasy 1-2 > dni Sieć geodynamiczna < > 5 dni 54

55 METODA KINEMATYCZNA (ZARYS) pomiar statyczny z pominięciem pomiarów rejestrowanych w trakcie ruchu anteny, 1 odbiornik na punkcie o znanych współrzędnych pozostałe (1 lub więcej) przemieszczają się po punktach wyznaczanych, Dokładność zależy od liczby i konfiguracji satelitów w trakcie pomiaru, Wymaga inicjalizacji (obliczenie parametru nieoznaczoności): Wymiana anten na stacji bazowej, Obserwacja statyczna na bazie wyjściowej, Rozpoczęcie pomiaru na bazie wcześniej wyznaczonej, OTF (On the Fly) Wymaga zachowania łączności z satelitami w trakcie pomiaru, Skuteczna np. w pomiarach topograficznych znany ruchomy ruchomy znany 55

56 POMIAR POJEDYNCZYM ODBIORNIKIEM Pomiar kodowy pojedynczym odbiornikiem (Single point positioning) Podstawowa technika wyznaczania pozycji GPS, Powszechnie stosowana w nawigacji obiektów, Mierzoną wielkością jest tylko kod odległości, Dwa poziomy dokładności: SPS (zastosowania cywilne), PPS (zastosowania militarne), 56

57 POMIAR RÓŻNICOWY (DGPS) ŁĄCZE KOMUNIKACYJNE STACJA REFERENCYJNA (ZNANA POZYCJA) POPRAWKA RÓŻNICOWA (PSEUDOODLEGŁOŚCI) ODBIORNIK RUCHOMY (POZYCJA NIEZNANA) Rys. Idea pomiaru różnicowego (Differential GPS) Wykorzystanie stacji referencyjnej (bazowej) na punkcie o znanych współrzędnych, Eliminacja lub zmniejszenie błędów obarczających pomiar GPS, 57

58 POMIAR RÓŻNICOWY (DGPS) Odmiany pracy systemów różnicowych Czasu rzeczywistego (Real-time) Polega na wprowadzaniu w czasie rzeczywistym poprawek do pomiarów, drogą radiową, GSM, Internet,... Opracowanie po pomiarze (Post-processing) Korekcja przez program opracowujący a posteriori rezultaty pomiarów wykonanych przy użyciu pary odbiorników ruchomego i bazowego (o znanych współrzędnych anteny) Eliminowane bądź redukowane są błędy... wspólne dla pary / grupy odbiorników Selektywna dostępność (Selective Availability) Błędy efemeryd (pozycji satelity) czyli różnicy między aktualna pozycją satelity a pozycją obliczoną w predykcji (podawaną w depeszy satelitarnej), Błędy zegara satelity czyli różnicy między czasem zegara satelity a czasem obliczonym na podstawie danych satelitarnych, Opóźnienie jonosferyczne, Opóźnienie troposferyczne, 58

59 POMIAR RÓŻNICOWY (DGPS) Odmiany pracy systemów różnicowych Czasu rzeczywistego (Real-time) Polega na wprowadzaniu w czasie rzeczywistym poprawek do pomiarów, drogą radiową, GSM, Internet,... Opracowanie po pomiarze (Post-processing) Korekcja przez program opracowujący a posteriori rezultaty pomiarów wykonanych przy użyciu pary odbiorników ruchomego i bazowego (o znanych współrzędnych anteny) Bez zmian pozostają błędy... specyficzne dla odbiornika ruchomego Wielotorowość (Multipath), Błędy zegara odbiornika. 59

60 SATELITARNE METODY POMIAROWE GPS Podstawowe podziały metod pomiarowych GPS Ze względu na sposób wykonywania pomiarów Wyznaczenie pozycji pojedynczego punktu wyznaczenie absolutne (Single point positioning), Względne wyznaczanie pozycji (Relative positioning), Różnicowy GPS (Differential GPS) Ze względu rodzaj rejestrowanej wielkości Oparte na pomiarze kodu pseudoodległości, Uwzględniające pomiar fazy Ze względu na położenie odbiorników Statyczne odbiorniki nieruchome (statyczne), Kinematyczne odbiorniki w ruchu 60

61 PODSUMOWANIE SUMMARY Satelitarne określenie pozycji polega na wyznaczeniu odległości między satelitą a odbiornikiem na zasadzie przestrzennego liniowego wcięcia wstecz, Obserwacje mogą dotyczyć pomiaru pseudoodległości, fazy fali nośnej i efektu Doppler a, W celu wyznaczenia pozycji nieznanego punktu stosuje się metodę bezwzględną (pojedynczy odbiornik) lub metody względne z użyciem min. dwóch odbiorników i określeniu różnicy współrzędnych między mierzonymi punktami, Pseudoodległość to dystans między satelitą a odbiornikiem w trakcie transmisji i odbioru sygnału obliczany na podstawie pomiaru czasu potrzebnego na dotarcie sygnału od satelity do odbiornika, Pomiary fazowe polegają na pomiarze fazy fali nośnej odbieranego sygnału satelitarnego i określeniu różnicy między fazami sygnału mierzonymi przez odbiornik w kolejnych epokach pomiaru, 61

62 PODSUMOWANIE SUMMARY Nieoznaczoność to nieokreślona liczba cykli fazy fali nośnej obserwowanej częstotliwości, Podstawowe odmiany pomiarów względnych to technika statyczna i technika kinematyczna oraz szereg metod pośrednich, np. szybka statyczna, Pomiary różnicowe DGPS wykorzystują stację bazową znanych współrzędnych położenia do określenia błędów obserwacji w trakcie pomiaru punktu nieznanego. Eliminowane bądź redukowane są błędy wspólne dla pary odbiorników, 62

64 ŚWIATOWY SATELITARNY SYSTEM NAWIGACYJNY - GNSS GNSS - Global Navigation Satellite System Ogólne warunki uznania systemu satelitarnego za nawigacyjny Dokładność (Accuracy), np. W nawigacji lotniczej (faza lądowania) wymagana jest 0.5 do 5 m, W nawigacji morskiej (porty) to 5-20 m, Zdolność natychmiastowego informowania o nieprawidłowym funkcjonowaniu (Integrity), Metoda zewnętrzna RAIM (Receiver autonomous integrity monitoring ) obserwacje nadliczbowych satelitów nie dają pewnych wyników, Metoda wewnętrzna kontrola w czasie rzeczywistym poprzez sieć stacji naziemnych i dodatkowy kanał GPS Dostępność (Availability), Współczynnik wyrażający czas dostępności systemu, np. dla zastosowań lotniczych wymagana jest 99.99% ( Federal Aviation Agency) Stosowane są tzw. systemy wspomagające SBAS (np. WAAS, EGNOS). Nieprzerwane działanie (Continuity of Service), Zdolność systemu satelitarnego do zapewnienia ciągłości działania 64

65 ŚWIATOWY SATELITARNY SYSTEM NAWIGACYJNY - GNSS GNSS - Global Navigation Satellite System Idea cywilnego, globalnego, satelitarnego systemu nawigacyjnego (GNSS) do zastosowań lotniczych, morskich, lądowych i innych Nazwa pojawia się w 1991 roku przyjęta przez ICAO (International Civil Aviation Organisation) Obecnie systemy wojskowe (GPS, GLONASS) nie spełniają kryteriów GNSS kontrolowane przez rządy USA, Rosja brak kanału rezerwowego, mała odporność na zakłócenia Aby zapewnić dostępność satelitarnego systemu wyznaczania pozycji i czasu rozwija się systemy wspomagające (Augmentation Systems) Cecha wspólna - rozbudowana sieć kontrolnych stacji naziemnych, które obserwują wszystkie widoczne satelity GPS i GLONASS, rejestrują wysyłane przez nie sygnały dwuczęstotliwościowe i dane meteorologiczne oraz na ich podstawie wyznaczają precyzyjne poprawki do efemeryd satelitów GPS i poprawkę zegarów satelitów. Poprawki te wraz z sygnałem zawierającym informację Integrity przesyłane są poprzez satelitę geostacjonarnego do użytkownika. 65

66 ŚWIATOWY SATELITARNY SYSTEM NAWIGACYJNY - GNSS Budowa GNSS realizowana w dwóch etapach nazywanych GNSS-1 i GNSS-2 GNSS 1 oparty na: Systemach satelitarnych GPS i GLONASS Satelitarne Systemy Wspomagania (SBAS - Satellite Based Augmentation Systems) Wide Area Augmentation System (WAAS), European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS), Multi-Functional Satellite Augmentation System (MSAS) Naziemne Systemy Wspomagania (SBAS - Ground Based Augmentation Systems) Local Area Augmentation System (LAAS) Wide Area DGPS (WADGPS) 66

67 ŚWIATOWY SATELITARNY SYSTEM NAWIGACYJNY - GNSS Budowa GNSS realizowana w dwóch etapach nazywanych GNSS-1 i GNSS-2 GNSS 2 budowany przez: System GPS oraz systemy Galileo i GLONASS? sygnały cywilne na częstotliwościach L1 i L2 oraz sygnał L5 (Integrity), Globalne Satelitarne Systemy Wspomagania (SBAS - Global Satellite Based Augmentation Systems) np. Omnistar, StarFire. Regionalne Satelitarne Systemy Wspomagania (Regional SBAS): WAAS, EGNOS, MSAS, GAGAN, Regionalne Satelitarne Systemy Nawigacyjne (Regional Satellite Navigation Systems): QZSS (Japan), IRNSS (India), Beidou (China), Kontynentalne Naziemne Systemy Wspomagania (Continental Ground Based Augmentation Systems - GBAS), np. GRAS (Australia), Regionalne GBAS, np. sieci CORS, 67

68 SYSTEMY WSPOMAGANIA SATELITARNEGO WYZNACZANIA POZYCJI SATELITARNE SYSTEMY WSPOMAGANIA (SBAS - Satellite Based Augmentation Systems) WAAS (Wide Area Augmentation System) Stany Zjednoczone EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System ) Wspólnota Europejska MSAS (Multifunctional Satellite Augmentation Service ) Japonia 68

69 SYSTEMY WSPOMAGANIA SATELITARNEGO WYZNACZANIA POZYCJI OGÓLNA ZASADA DZIAŁANIA Sieć kontrolnych stacji naziemnych, Obserwacja satelitów (GPS i GLONASS), Rejestracja wysyłanych przez satelity sygnałów oraz danych meteorologicznych, Wyznaczanie poprawki do efemeryd satelitów oraz poprawki zegarów satelitów, Poprawki wraz z informacją o funkcjonowaniu systemu przesyłane przez satelitę geostacjonarnego systemu wspomagania do użytkownika korzystającego z odbiornika GPS, GLONASS 69

70 EGNOS GENEZA Inicjatywa Europejskiej Agencji Kosmicznej, Komisji Europejskiej oraz organizacji Eurocontrol. ZADANIA Zapewnienie dostępu do sygnałów nawigacji satelitarnej użytkownikom znajdującym się w regionie Europejskiej Przestrzeni Lotniczej, Wspomaganie funkcjonowania systemów GPS i GLONASS (najbliższe kilkanaście lat), Element globalnego systemu nawigacji satelitarnej GALILEO (w przyszłości) Rys. Architektura systemu EGNOS 70

71 EGNOS SEGMENT KOSMICZNY SEGMENT UŻYTKOWNIKA 3 satelity geostacjonarne Inmarsat GPS i GLONASS SEGMENT NAZIEMNY 4 Centra kontroli (MCC Master Control Centre) 6 stacji NLES (Navigation Land Earth Stations). Sieć komunikacyjna EWAN (EGNOS Wide Area Communications Network) Rys. Architektura systemu EGNOS 34 stacje referencyjne RIMS (Ranging and Integrity Monitoring Stations) 71

72 EGNOS SEGMENT NAZIEMNY Stacje referencyjne - RIMS (Ranging and Integrity Monitoring Stations) Śledzenie i monitorowanie satelitów GPS, GLONASS i geostacjonarnych, Rozmieszczone równomiernie, dokładnie wyznaczone położenie, Zebrane dane przesyłane do centralnej stacji kontroli (MCC Master Control Station), Rys. Rozmieszczenie stacji RIMS 27 września 2005 inauguracja działalność stacji RIMS w siedzibie Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk - jedynej w Europie Środkowo-Wschodniej i jednej z 34 na świecie stacji monitorujących systemu wspomagania nawigacji satelitarnej EGNOS 72

73 EGNOS SEGMENT NAZIEMNY Stacje referencyjne - RIMS (Ranging and Integrity Monitoring Stations) Stacje typu A - odpowiadają za dostarczanie poprawek, Stacje typu B - służą do określania zgodności wiadomości nawigacyjnych, Stacje typu C - wykrywanie nieprawidłowości w sygnałach GPS Stacje NLES (Ranging and Integrity Monitoring Stations) Łączność z satelitami geostacjonarnymi, Po dwie przydzielone są do każdego satelity geostacjonarnego, z czego jedna jest aktywna, a druga rezerwowa, Lokalizacja: Torrejon (Hiszpania), Fucino (Włochy), Aussaguel (Francja), Raisting (Niemcy), Goonhilly (Wielka Brytania), Sintra (Portugalia) Sieć komunikacyjna EWAN (EGNOS Wide Area Communications Network) łączność pomiędzy wszystkimi elementami naziemnej części systemu 73

74 UDZIAŁ SATELITARNYCH SYSTEMÓW POZYCJONOWANIA I SATELITARNYCH SYSTEMÓW WSPOMAGAJĄCYCH W GNSS EGNOS SBAS GNSS1 GNSS WAAS GPS MSAS GLONASS GNSS2 GALILEO 74

75 PODSUMOWANIE SUMMARY Wymagania stawiane Światowemu Satelitarnemu Systemowi Nawigacyjnemu (GNSS) to: dokładność, zdolność natychmiastowego informowania o nieprawidłowym funkcjonowaniu, dostępność i nieprzerwane działanie, Systemy wspomagania obejmują systemy satelitarne oraz systemy naziemne. Systemy satelitarne dzielimy na: Globalne Satelitarne Systemy Wspomagania (OmniStar), Regionalne Satelitarne Systemy Wspomagania (WAAS, EGNOS), Regionalne Satelitarne Systemy Nawigacyjne (Japoński QZSS), Systemy naziemne to kontynentalne bądź regionalne systemy wspomagania (CORS, GRAS), EGNOS to Europejski System Wspomagania Satelitarnego Wyznaczania Pozycji 75

77 PLANOWANY ROZWÓJ SYSTEMU NAVSTAR-GPS Blok satelitów GPS i emitowane przez nie sygnały BLOK IIR BLOK IIR-M BLOK IIF L1 C/A L1 C/A L1 C/A L1 P(Y) L1 P(Y) L1 P(Y) L1 M L1 M L2C L2C L2P(Y) L2P(Y) L2 M L2 M L2P(Y) Pierwszy satelita bloku IIR-M na orbicie (planowano 2003) L5 ( MHz) 77

78 PLANOWANY ROZWÓJ SYSTEMU NAVSTAR-GPS Planowany harmonogram modernizacji (segment kosmiczny) rozpoczęcie umieszczania satelitów generacji IIF, sygnały L2C, L1M, L2M transmitowane przez wszystkie satelity systemu, sygnał L5 transmitowany przez wszystkie satelity systemu, GPS III generacji Modernizacja segmentu naziemnego Wymiana sprzętu komputerowego, Wymiana oprzyrządowania, Wymiana oprogramowania sterującego satelitami, Wymiana oprogramowania obliczeniowego Liczba stacji śledzących zwiększona do 11 o 6 stacji Narodowej Agencji Map (NIMANational Imaginery Mapping Agency), Lokalizacja: Argentyna, Australia, Bahrajn, Ekwador, USA (Waszyngton), Wielka Brytania, Planowane włączenie kolejnych 6 stacji NIMA Planowane uruchomienie drugiej, alternatywnej, stacji głównej (MCS) 78

79 PLANOWANY ROZWÓJ SYSTEMU NAVSTAR-GPS Generacja GPS III, nowe funkcje Integrity zdolność do informowania użytkownika w krótkim czasie o nieprawidłowym działaniu systemu, Directional crosslink bezpośrednia łączność między satelitami, Obustronna łączność z satelitami, Distress Alerting Satellite System wbudowany system alarmowania o niebezpieczeństwie (poszukiwanie i ratowanie użytkowników transmisja sygnału z ELT ( Emergency Locator Transmitter) Tab. Segment użytkownika, przewidywane dokładności (Januszewski, 2006) BŁĄD (95%) M95% L1 C/A L1 C/A, L2 C L1 C/A, L2 C, L5 18 m 6.7 m m 79

80 Satelita transmituje nowy cywilny sygnał GPS L5 na częstotliwości Mhz Nie jest dopuszczony do stosowania w nawigacji, służy m.in. testowaniu koncepcji i odbiorników Poprawa pomiarów pseudoodległości, Poprawa zdolności śledzenia w porównaniu z L1 i L2, Wyeliminowanie wpływu refrakcji jonosferycznej (pomiar na 2-ch częstotliwościach, Zakładane wykorzystanie w aplikacjach SoL (np. lotnictwo cywilne) 80

81 Rozkład wartości HDOP dla 19 satelitów GPS Rozkład wartości HDOP dla 19 satelitów GPS i 16 satelitów GLONASS 81

83 GALILEO GALILEO - SATELITARNY SYSTEM POZYCJONOWANIA I NAWIGACJI DLA ZASTOSOWAŃ CYWILNYCH Projekt Komisji Europejskiej i ESA ( European Space Agency) odpowiedzialna za stronę techniczną projektu Faza budowy europejskiego Programu Nawigacji Satelitarnej Etap 1 realizacja europejskiego systemu wspomagania satelitarnego EGNOS Etap 2 budowa i uruchomienie globalnego systemu nawigacji satelitarnej Galileo Galileo to system radiolokacyjny: do określania pozycji obiektów stacjonarnych i znajdujących się w ruchu, w dowolnym miejscu na powierzchni Ziemi, niezależnie od warunków pogodowych Galileusz (wł. Galileo Galilei) (ur. 15 lutego 1564, zm. 8 stycznia 1642) włoski astronom, fizyk i filozof, twórca podstaw nowożytnej fizyki. eppur si mouve "a jednak się kręci". 83

84 GALILEO GALILEO FAZY BUDOWY SYSTEMU Komisja Europejska, ESA i Eurocontrol proponują stworzenie Globalnego Systemu Nawigacji Satelitarnej (GNSS - Global Navigation Satellite System), Powstaje europejski system DGPS EGNOS Pierwotne założenia ulepszone połączenie GPS i GLONASS FAZA DEFINICJI SYSTEMU 19 LIPCA LISTOPADA 2000 Prace studialne w celu zdefiniowania aspektów technicznych, finansowych i programowych systemu Potrzeby transportu multimodalnego (powietrzny, lądowy, morski), Pozostałe dziedziny (np. geodezja) Projekty: GalileoSat Study, GALA, GEMINUS, INTEG i SAGA FAZA WDRAŻANIA SYSTEMU OD 26 MARCA marca 2002 r. - porozumienie w sprawie finansowania budowy europejskiego systemu nawigacji satelitarnej Galileo 21 maja Galileo Joint Undertaking Rozpoczęcie projektów w celu zdefiniowania architektury i szczegółów poszczególnych komponentów 84

85 GALILEO GALILEO FAZY BUDOWY SYSTEMU FAZA WDRAŻANIA SYSTEMU (ciąg dalszy) 25 lutego 2004 Porozumienie między UE i USA o zasadach funkcjonowania systemu Galileo równolegle z modernizowanym systemem GPS, warunkach jednoczesnego korzystania z obydwu systemów Systemy będą zarządzane, administrowane i finansowane niezależnie, Kompatybilne i interoperacyjne dla użytkowników cywilnych, Struktura sygnału systemu Galileo uwzględnia kryteria bezpieczeństwa narodowego USA, Standardy sygnału GPS i Galileo dotyczące bezpieczeństwa nawigacji lotniczej i morskiej będą ustalane w porozumieniu z powołanymi do tego celu organizacjami, ICAO ( International Civil Aviation Organisation) i IMO (International Maritime Organisation) FAZA BUDOWY SEGMENTU KOSMICZNEGO SYSTEMU OD 28 GRUDNIA 2005 Pierwszy satelita Galileo GIOVE A umieszczony na orbicie, 12 stycznia 2006 r. Rozpoczęcie emisji sygnału przez GIOVE A, Termin uzyskania pełnej operacyjności systemu? 85

86 GALILEO GALILEO ARCHITEKTURA SYSTEMU PODSTAWOWE ZAŁOŻENIA Niezależny system o charakterze cywilnym, Kontrolowany przez państwa UE, Zapewnienie dokładności pozycjonowania na całym globie lepszej od GPS, Pozwoli na określenie pozycji absolutnej z dokładnością 4 m, Natychmiastowa informacja o błędach systemu - stały dostęp do wiarygodnych informacji Integracja z innymi systemami nawigacyjnymi (EGNOS), Kompatybilny (interoperacyjny) z istniejącymi systemami GPS i GLONASS (ponad 80 satelitów), Segment kosmiczny Segment użytkowników Segment kontroli Rys. Architektura GALILEO (na podst. 86

87 GALILEO GALILEO SEGMENT KOSMICZNY 30 satelitów MEO (Medium Earth Orbit), 27 rozmieszczonych co 40 stopni oraz 3 aktywne satelity zapasowe, 3 orbity o nachyleniu 56 na wysokości km, Czas obiegu 14 godz. 21 min, Dobra dostępność sygnałów satelitarnych na 75 szerokości geograficznej, Zakładany 15-letni okres pracy oraz odnawianie segmentu w okresach 12-letnich Rys. Wizualizacja planowanej konstelacji satelitów Galileo 87

88 GALILEO GALILEO SYGNAŁY SATELITARNE Tab. Przewidywane częstotliwości nośne i numery sygnałów Pasmo [MHz] Długość fali [cm] Symbo l Numer sygnału E5a i E5b 1, 2, 3, E6 5, 6, 7 Sygnały: 1, 2, 3, 4, 9 i L1 8, serwisu 9, 10 Dostępne dla 19.2użytkowników 1592 otwartego (OS) i bezpieczeństwa życia (SOL), Dostępność uzależniona od rodzaju odbiornika Sygnały 6, 7 przeznaczone dla serwisu komercyjnego (CS), Sygnały 5, 8 przeznaczone dla autoryzowanych użytkowników serwisu regulowanego publicznie Charakterystyka techniczna Wymiary 27 x 12 x 11 cm, Ciężar ok. 625 kg, Rozpiętość baterii słonecznych 13 m, Planowana żywotność 15 lat (Giove-A 2 lata) Rys. Wizualizacja satelity sytemu Galileo Określenie odległości satelita antena odbiornika na podstawie pomiaru czasu potrzebnego na przebycie tej drogi przez falę elektromagnetyczną - 4 zegary atomowe (2 typy) na pokładach satelitów 88

89 GALILEO GALILEO SYGNAŁY SATELITARNE Tab. Przewidywane częstotliwości nośne i numery sygnałów Pasmo [MHz] Długość fali [cm] Symbo l Numer sygnału E5a i E5b 1, 2, 3, E6 5, 6, 7 Przyjmuje się 10 lub 6 sygnałów, E5a, 19.2 E1 - L1 8, 9, 10 1 i 2 -w paśmie i 4 w paśmie E5b, 6 i 7 w paśmie E6, 9 i 10 w paśmie L1, oraz 5 - E6P, 8 L1P, Pary sygnałów traktowane jako jeden na dwóch kanałach (dane i sygnał pilotażowy) Charakterystyka techniczna Wymiary 27 x 12 x 11 cm, Ciężar ok. 625 kg, Rozpiętość baterii słonecznych 13 m, Planowana żywotność 15 lat (Giove-A 2 lata) Rys. Wizualizacja satelity sytemu Galileo Częstotliwość E5a równa częstotliwości L5 (trzeciej częstotliwości systemu GPS dla użytkowników cywilnych) 89

90 GALILEO GALILEO DEPESZA SATELITARNA Dane nawigacyjne, Dane o integralności systemu, Informacje SAR Tab. Prawdopodobna zawartość depeszy nawigacyjnej (za Januszewski, 2006) TYP DANYCH CZAS WAŻNOŚCI ZASTOSOWANIE Almanach (parametry orbitalne) Kilka dni Cały system Almanach (poprawki wzorców czasu satelitów) Doba Cały system Efemerydy 4 godziny Jeden satelita Poprawka jonosferyczna Kilka godzin Cały system Lokalne poprawki różnicowe 2 minuty Cały system Korelacja czasu systemu z UTC W zależności od aplikacji Cały system Korelacja czasu systemu z czasem systemu GPS W zależności od aplikacji Cały system 90

91 GALILEO GALILEO SEGMENT NAZIEMNY Rys. Struktura segmentu naziemnego (na podst. Geodeta) 91

92 GALILEO GALILEO SEGMENT NAZIEMNY NAZIEMNY SEGMENT KONTROLI SATELITÓW (GCS Ground Control System) NAZIEMNY SEGMENT KONTROLI FUNKCJONOWANIA SYSTEMU (GMS Ground Mission System lub MCS Mission Control System) ZADANIA Działania zapewniające nieprzerwane funkcjonowanie całego systemu i jego globalnego zasięgu, Utrzymywanie ustalonej konfiguracji satelitów, Kontrola stanu technicznego satelitów, Opracowywanie strategii uzupełniania konfiguracji satelitów ZADANIA Utrzymywanie serwisów systemu: nawigacyjnych, czasu,... Nadzór nad funkcjonowaniem całego systemu, Monitorowanie sygnałów odbieranych z satelitów, Transmisja sygnałów alarmowych w czasie rzeczywistym, Rozsyłanie danych systemu WSPÓLNE FUNKCJE Monitorowanie i kontrola wszystkich stacji naziemnych w celu zapewnienia przepływu informacji między nimi (Ground Assets Monitor and Control ), Zaopatrzenia serwisu funkcje przekazywania jednostkom zewnętrznym sygnałów i informacji systemu ( Services and Product Provision), Zarządzania bezpieczeństwem systemu dystrybucja i zarządzanie kodami systemu oraz bezpieczeństwo i ochrona systemu (np. analiza wydajności) ( Security Management) Rys. Struktura segmentu naziemnego (na podst. Geodeta) 92

93 GALILEO GALILEO BUDOWA SEGMENTU NAZIEMNEGO NAZIEMNY SEGMENT KONTROLI SATELITÓW (GCS Ground Control System) NAZIEMNY SEGMENT KONTROLI FUNKCJONOWANIA SYSTEMU (GMS Ground Mission System lub MCS Mission Control System) STACJE STERUJĄCE (TT&C Telemetry, Telecommand & Ranging Stations) Telemetrii, Przesyłania komend, Pomiaru odległości STACJE ŚLEDZĄCE (GSS Ground Sensor Stations) Monitorowanie sygnałów przesyłanych z satelitów, 20 lub 25 (16 lub 21 równikowych, 4 polarne) x5 Zapewniają ciągłą kontrolę satelitów Nadawczo-odbiorcze, Kontrola realizowana przez Blok SCF (Satellite Control Facility) STACJE KONTROLNE (GCC Galileo Control Center) Obróbka sygnałów odbieranych przez GSS Blok OSPF (Orbitography & Synchronization Processing Facility) prowadzi obliczenia: parametrów orbit satelitów, wzorców czasów satelitów, czas systemu odchyłka wzorców czasu segmentu naziemnego Blok IPF (Integer Processing Facility ) kontrola prawidłowości sygnałów satelitarnych Rys. Struktura segmentu naziemnego (na podst. Geodeta) 93

94 GALILEO GALILEO BUDOWA SEGMENTU NAZIEMNEGO (ciąg dalszy) NAZIEMNY SEGMENT KONTROLI SATELITÓW (GCS Ground Control System) NAZIEMNY SEGMENT KONTROLI FUNKCJONOWANIA SYSTEMU (GMS Ground Mission System lub MCS Mission Control System) STACJE STERUJĄCE (TT&C Telemetry, Telecommand & Ranging Stations) Telemetrii, Przesyłania komend, Pomiaru odległości Blok MCF (Mission Control Facility) Nadzór nad funkcjonowaniem całego systemu, (na podst. danych z bloków OSPF i IPF) x5 Zapewniają ciągłą kontrolę satelitów Nadawczo-odbiorcze, Kontrola realizowana przez Blok SCF (Satellite Control Facility) Blok MGF (Message Generation Facility) generuje depeszę nawigacyjną (na podst. danych z MCF) STACJE ULS (Up-Link Station) x 10 Przesyłanie danych do satelitów Rys. Struktura segmentu naziemnego (na podst. Geodeta) 94

95 GALILEO SERWISY GALILEO Serwis Otwarty (Open Access Service) - bezpłatny dostęp dla wszystkich użytkowników do podstawowego serwisu nawigacyjnego i sygnału czasu; Serwis Komercyjny (Commercial Service) dla użytkowników komercyjnych zainteresowanych większą dokładnością i niezawodnością, szyfrowany, płatny, kontrolowany za pomocą klucza dostępu Serwis Bezpieczeństwa Życia (Safety of Life Service) powszechnie dostępny pod warunkiem stosowania odbiorników posiadających odpowiednie certyfikaty, bezpłatny serwis zapewniający dokładny pomiar czasu i pozycji z gwarancją jakości i dokładności sygnału oraz funkcją ostrzegania użytkownika o wadliwym działaniu systemu, Regulowany Serwis Publiczny (Public Regulated Service) serwis bezpłatny dla wybranych użytkowników zapewniający organom administracji państwowej, dokładny pomiar czasu i pozycji (niezależny serwis nawigacyjny) w oparciu o dodatkowe kodowane sygnały (np. dla wojska, policji, straży pożarnej itp.) - odpowiednik precyzyjnego serwisu GPS (PPS). Serwis Poszukiwania i Ratownictwa (Search and Rescue Service) powszechnie dostępny, bezpłatny serwis, zapewniający precyzyjna lokalizację i komunikację zwrotna pomiędzy wysyłającym sygnał ratunkowy, a operatorem usługi (Gauthier i inni, 2005) 95

96 GALILEO SERWISY GALILEO SERWIS BEZPIECZEŃSTWA ŻYCIA SERWIS OTWARTY Bez ograniczeń, Umożliwia określenie pozycji, prędkości i informacji o czasie, 6 sygnałów: 1, 2, 3, 4, 9, 10 Odbiorniki do odbioru 1, 2 lub 3 częstotliwości (Single Frequency L1, DF Dual Frequency L1+E5a, IA - Improved Accuracy L1+E5a+E5b) Planowane dokładności 15 do 4 m (pozioma), 35 do 8 m (pionowa) Nie zapewnia informacji o wiarygodności i niezawodności systemu Bezpłatny serwis dużej dokładności Ostrzeżenie o utracie integralności w określonej granicy czasowej, 6 sygnałów: 1, 2, 3, 4, 9, 10 Odbiór sygnałów na 1, 2 lub 3 częstotliwościach (wyznaczenie poprawki jonosferycznej w trakcie pomiarów) Informacja o spodziewanym zmniejszeniu dokładności Dokładności, pozioma 4m, pozioma 8m Lotnictwo i nawigacja morska SERWIS KOMERCYJNY Kontrolowany dostęp, Umożliwia określenie pozycji, prędkości i informacji o czasie, 6 sygnałów: 3, 4, 6, 7, 9, 10 Odbiorniki do odbioru 2 lub 3 częstotliwości Galileo oraz dwie częstotliwości GPS Planowane dokładności 7 do 0,8 m (pozioma), 15 do 1m (pionowa) Dostarcza komunikat o stanie i awariach systemu SERWIS REGULOWANY PUBLICZNIE Sygnał kodowany, 2 sygnały 5, 8, Dokładności, pozioma 6m, pionowa 12m, Większa odporność na zagłuszanie i przypadkowe zagłuszenia 96

97 GALILEO SERWISY GALILEO SERWIS OTWARTY Najszersza grupa odbiorców, nawigacja indywidualna SERWIS KOMERCYJNY Dla użytkowników zawodowych wymagających dużych dokładności i niezawodności systemu obsługa ruchu lotniczego i portowego, służby drogowe, celne, zarządzanie transportem, opłaty drogowe,... SERWIS BEZPIECZEŃSTWA ŻYCIA Zastosowanie w nawigacji lotniczej i morskiej SERWIS REGULOWANY PUBLICZNIE Dla użytkowników wymagających dużej dokładności, wysokiej jakości sygnału i niezawodności sygnału, Serwis certyfikowany dla wymogów transportu lotniczego (ICAO), morskiego (IMO) i lądowego, Dostęp do sygnału dla autoryzowanych użytkowników w czasie klęsk żywiołowych i zagrożeń bezpieczeństwa 97

98 GALILEO PERSPEKTYWY WYKORZYSTANIA SYSTEMU TRANSPORT DROGOWY nawigacja drogowa, monitorowanie i kierowanie ruchem, zarządzanie flotą pojazdów, serwis ratunkowy, wspomaganie kierowcy, opłaty drogowe TRANSPORT LOTNICZY Ruch komercyjny, Kontrola ruchu naziemnego, Serwis ratunkowy TRANSPORT KOLEJOWY Kontrola, ochrona i kierowanie pociągów, Zarządzanie siecią kolejową, Nadzór nad przewozem towarów, Serwis informacyjny (pasażerowie), Inwentaryzacja linii kolejowych TRANSPORT MORSKI Nawigacja przybrzeżna, Manewry w trakcie podchodzenia do portów i w akwenach portowych, Serwis ratunkowy, Badania naukowe 98

99 Przełożenie umieszczenia 4 satelitów Galileo na 2010/2011 w przestrzeni kosmicznej Satelity służyć mają testom nad sprawnością systemu Przetarg na budowę pozostałych 28 satelitów w 2008 roku Giove-A (pierwszy satelita) funkcjonuje od 2005 roku (przewidywana żywotność 2 lata) 99

101 Dr inż. Jan Blachowski Zakład Geodezji i Geoinformatyki GLONASS Rosyjski globalny system nawigacyjny Globalnaya Navigacionaya Sputnikovaya Sistema Global Orbiting Navigation Satellite System Założenia Wyznaczanie pozycji obiektów stacjonarnych, Wyznaczanie pozycji i określanie prędkości obiektów w ruchu, Określanie precyzyjnego czasu. Wymagania techniczne zakładają (obecnie) Dokładność pozioma 28m (95%), Dokładność pionowa 60m (95%), Prędkość 15 cm/s, Skala czasu 1 mikrosekunda, Informacje Zaprojektowany jako system wojskowy, Pierwszy satelita umieszczony na orbicie w 1982 r., 1988 (Montreal) przedstawiono szczegóły techniczne systemu, System funkcjonuje od 1993 r. Podstawy systemów pozycjonowania satelitarnego Podyplomowe studium GIS 101

102 Dr inż. Jan Blachowski Zakład Geodezji i Geoinformatyki CHARAKTERYSTYKA SYSTEMU GLONASS SEGMENT KOSMICZNY SEGMENT KONTROLNO-MONITORUJĄCY SEGMENT UŻYTKOWNIKÓW Rys. Struktura systemu GLONASS Sprawność systemu W 2000 r. 10 sprawnych satelitów, W latach umieszczono w przestrzeni 5 satelitów W 2003 r. aktywnych 9 satelitów, r 12 satelitów, Pełna konstelacja 24 satelitów planowana na 2007 r.? Zarządzanie systemem - Rosyjskie Siły Kosmiczne Nadzór nad sprawnym funkcjonowaniem GLONASS Centrum Naukowo-Informacyjne (KNIT) Ministerstwa Obrony Federacji Rosyjskiej 102

103 Dr inż. Jan Blachowski Zakład Geodezji i Geoinformatyki SEGMENT KOSMICZNY GLONASS Segment satelitarny planowana konstelacja konstelacja 24 satelity, w tym 21 operacyjnych, 3 rezerwowe 3 orbity, 8 satelitów na orbicie Satelity rozmieszczone na orbitach kołowych, Różnica dł. węzła wstępującego 120, Nachylenie płaszczyzn orbit do równika 64 48, Wysokość km, Czas obiegu 11h 15min. Satelita GLONASS Uragan II 103

104 Dr inż. Jan Blachowski Zakład Geodezji i Geoinformatyki SEGMENT KOSMICZNY GLONASS Sygnał satelitarny GLONASS K GLONASS M Każdy satelita transmituje 2 rodzaje sygnałów pseudolosowych SP (standard precision) standardowy na częstotliwości L1 HP (high precision) wysokiej dokładności na częstotliwości L1 i L2 Każdy satelita transmituje sygnał o innej częstotliwości L1 = 1602MHz + n0.5625mhz, gdzie "n" to numer kanału częstotliwości (n = 0, 1, 2,...). Częstotliwości transmitowane w zakresach L do MHz, cywilny sygnał L1 jest ogólnie dostępny i ma jawną specyfikację L do MHz 104

105 Dr inż. Jan Blachowski Zakład Geodezji i Geoinformatyki SEGMENT KONTROLI NAZIEMNEJ Zadania Monitorowanie ruchu satelitów, Określanie statusu satelitów, Przesyłanie danych nawigacyjnych satelitów (NAWI nr 6, 2005) Segment kontrolno-monitorujący Terytorium Federacji Rosyjskiej GOLICYNO k/moskwy oraz St. do Petersburg, Tarnopol, Komsomolsk Jenisejsk, 105

106 Dr inż. Jan Blachowski Zakład Geodezji i Geoinformatyki SEGMENT UŻYTKOWNIKA Segment użytkowy wykorzystanie / zastosowania Wspomaganie ruchu powietrznego i morskiego, Geodezja i kartografia, Śledzenie ruchu obiektów na lądzie, Synchronizacja czasu, Monitoring ekologiczny, Działania ratownicze. Odbiorniki GLONASS produkcji rosyjskiej są przeważnie typami wojskowymi lub okrętowymi. Produkcja cywilnych odbiorników 12 lub 24-kanałowych jest dopiero przygotowywana. Odbiorniki uniwersalne (dla GPS i GLONASS) są produkowane przez niektórych producentów zachodnich: Thales (Ashtech), Na podstawie Rys. Odbiornik GPS+GLONASS Ashtech GG24 Rys. Odbiornik GPS/GLONASS TOPCON HiPER 106

107 Dr inż. Jan Blachowski Zakład Geodezji i Geoinformatyki SEGMENT UŻYTKOWNIKA Federalny program misji GLONASS zakłada Odbiornik Kotlin mt-201 nawigacja morska Utrzymanie, modernizacja, wdrożenie i funkcjonowanie systemu Rozwój odbiorników nawigacyjnych i sprzętu użytkownika dla potrzeb cywilnych, Zastosowanie sprzętu i technologii nawigacji satelitarnej w transporcie: lotniczym, morskim, drogowym i kolejowym, Zastosowanie nawigacji satelitarnej w geodezji i modernizacja rosyjskiego systemu geodezyjnego, Rozwój odbiorników nawigacyjnych i sprzętu użytkownika do celów specjalnych Odbiornik Kotlin ht-101 nawigacja samochodowa (The Russian Institute of Radionavigation and Time, 2003) Odbiornik Kotlin m-103 przenośny odbiornik nawigacyjny 107

108 Dr inż. Jan Blachowski Zakład Geodezji i Geoinformatyki ETAPY ROZWOJU GLONASS 1993 r. GLONASS ogłoszony systemem operacyjnym (12 satelitów), 1995 r. Aktywne 24 satelity, Zobowiązanie rządu Rosji do wolnego dostępu przez 10 lat, 1999 r. Dyrektywa prezydenta Rosji ( ) i decyzja rządu ( ) definiują GLONASS jako system o podwójnym zastosowaniu (wojskowym i cywilnym) 2001 r. Federalny Program Misji GLONASS przyjęty przez rząd rosyjski ( ) długoterminowe finansowanie rozwoju wszystkich segmentów systemu: kosmicznego, kontroli naziemnej i użytkowników 2002 r. Powołanie Rady Koordynacyjnej zrzeszającej 8 zaangażowanych instytucji państwowych, m.in. Ministerstwo Obrony, Agencja Lotnictwa Cywilnego, Agencja Kartograficzna 2005 r. 14 satelity na orbicie - ograniczona konstelacja zapewnia usługi podstawowe z 3-4 godzinnymi przerwami użytkownikom cywilnym 2006 r. Obecnie 12 satelitów ( ), 2007 r. Umieszczenie w przestrzeni 18 satelitów (osiągnięcie zasięgu globalnego) Udostępnienie sygnału cywilnego na częstotliwości L2 Uzyskanie dokładności wyznaczenia absolutnego na poziomie 30 m (95%) 2008 r. Nowa generacja satelitów GLONASS K i wprowadzenie trzeciej częstotliwości cywilnej L3 Uzyskanie dokładności wyznaczenia absolutnego na poziomie 5-7 m (95%) Na podst. (Kobierzycka A., 2005) 108

109 Przełożenie umieszczenia 3 satelitów GLONASS ze względu na problemy z generatorem sygnału ostatnio wystrzelonych 18 satelitów wymaganych do nawigacji na obszarze Rosji znajdują się na orbitach Zakładano umieszczenie 6 kolejnych rozszerzających funkcjonalność na cały świat jeszcze w tym roku 109

110 Dr inż. Jan Blachowski Zakład Geodezji i Geoinformatyki PORÓWNANIE SYSTEMÓW GPS, GLONASS, Galileo Parametr GPS GLONASS Galileo Segment naziemny Stacja główna Stacje śledzące (monitorujące) (25) Stacje korygujące n km km km Kąt inklinacji Okres obiegu 11:57: :15:44 14:21: Segment kosmiczny Liczba orbit Liczba satelitów na orbicie Łączna liczba satelitów Wysokość orbity Odległość kątowa węzłów wstępujących Rozmieszczenie satelitów na orbicie Nierównomierne Równomierne Na podst. (Kobierzycka Równomierne A., 2005) 110

111 PODSUMOWANIE SUMMARY System GPS kolejnej generacji dostarcza: - drugi sygnał cywilny (L2C) na częstotliwości L2, - nowe sygnały militarne L1M i L2M, - trzecią częstotliwość nośną z sygnałem cywilnym L5 - zdolność do informowania użytkownika w krótkim czasie o nieprawidłowym działaniu systemu, - łączność między satelitami GPS, - zdolność informowania o niebezpieczeństwie, GALILEO to europejski Satelitarny System Pozycjonowania i Nawigacji dla zastosowań cywilnych Strukturę GALILEO tworzą segment naziemny (kontroli), kosmiczny (satelitarny) i użytkownika 111

112 PODSUMOWANIE SUMMARY Segment naziemny składa się z kontroli funkcjonowania systemu (stacje kontroli i stacje śledzące) i kontroli satelitów (stacje sterujące), Segment kosmiczny składa się z 30 ( zapasowe) satelitów na 3 orbitach, GALILEO udostępnia następujące serwisy pozycyjne: otwarty, komercyjny, bezpieczeństwa życia, poszukiwania i ratownictwa oraz regulowany publiczny) GALILEO jest interoperacyjny z GPS i zintegrowany EGNOS, GLONASS to rosyjski globalny system nawigacyjny Składa się z 3 segmentów: naziemnego, kosmicznego i użytkownika Segment satelitarny to rezerwowe satelity na 3 orbitach. Każdy satelita transmituje sygnał o innej częstotliwości 112

114 AKTYWNA SIEĆ GEODEZYJNA ASG-EUPOS Struktura systemu Segment odbiorczy: zbieranie danych obserwacyjnych do satelitów GNSS i przekazywanie ich w czasie rzeczywistym do Centrum Obliczeniowego, Trzy grupy stacji referencyjnych: moduł GPS, moduły GPS i GLONASS, stacje zagraniczne Centrum obliczeniowe: Serwis pozycyjny - wyliczenie poprawek dla poszczególnych serwisów czasu rzeczywistego świadczonych przez system, Konserwacja układu odniesienia - bieżąca kontrola stałości punktów definiujących ten układ 114

115 AKTYWNA SIEĆ GEODEZYJNA ASG-EUPOS Struktura systemu Użytkownicy (wybrane branże): Bezpieczeństwo, Budownictwo przemysłowe, Geodezja i geodynamika, Komunikacja drogowa, Nawigacja morska, śródlądowa i lotnicza, Hydrografia i hydrologia, Energetyka, Obronność, Ochrona środowiska, Zarządzanie kryzysowe, Ochrona zdrowia, Rolnictwo i leśnictwo, Rurociagi, Sport i turystyka, Systemy Informacji Przestrzennej, Telekomunikacja Na podst. ASG-EUPOS - Grupy 1/gru py_docelowe

116 AKTYWNA SIEĆ GEODEZYJNA ASG-EUPOS Antena: Leica L1/L2 Choke Ring Odbiornik: Leica GRX1200 GG Pro 116

Pokazać jeszcze