Rozwój systemów GNSS

Transkrypt

1 Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie Wydział Geodezji i Gospodarki Przestrzennej Rozwój systemów GNSS dr inż. hab. Paweł Wielgosz, prof. UWM Wykorzystanie systemu wspomagania pomiarów satelitarnych i nawigacji ASG-EUPOS Olsztyn, r.

2 WPROWADZENIE GNSS Global Navigation Satellite System(s) GPS (Global Positioning System) GLONASS (Global Navigation Satellite System) Galileo BDS (BeiDou Navigation Satellite System)/COMPASS 2

3 Global Positioning System (GPS) 3

4 Konstelacja satelitów: Global Positioning System (GPS) Podstawowe informacje wysokość orbity: km; nachylenie orbity: 55º; okres obiegu: 11 h 58 m ; liczba płaszczyzn: 6; satelitów w płaszczyźnie: 4 (5-6); liczba satelitów: 24 (31). Charakterystyka sygnałów: częstotliwość podstawowa: 10,23MHz; częstotliwości fal nośnych: L1: 154 x 10,23MHz = 1575,42MHz (kod C/A i P); L2: 120 x 10,23MHz = 1227,60MHz (kod P). Pozostałe informacje: system współrzędnych: WGS-84(G1150); system czasu: GPS (UTC+15s); zarządca: USA; Full Operational Capability: 27 kwietnia 1995 r. 4

5 Kalendarium GPS 1962 dr Ivan Getting proponuje rozpoczęcie badań nad nowym satelitarnym systemem pozycjonowania; 1964 USAF uruchamia program 621B, wykonawca: Aerospace Corp.; 1966 Woodford/Nakamura Study; Global Positioning System (GPS) 1971/72 testy założeń systemu na poligonie White Sands Missile Range; 1972 płk Bradford Parkinson zostaje dyrektorem programu 621B; 1973 podporządkowanie programu US Navy Timation (od 1964r.) w ramach JPO, akceptacja budowy systemu przez Defense System Acquisition Review Council; 1978 wyniesienie pierwszego satelity GPS Block I, rozpoczęto testy na Yuma Proving Ground; 1989 pierwszy satelita Block II na orbicie; 1990/91 wykorzystanie GPS w czasie I wojny w Zatoce Perskiej; satelity na orbicie (Block I i Block II/IIA) Initial Operational Capability (IOC); 1994 rusza sieć IGS (International GNSS Service); 1995 Full Operational Capability (FOC); 1997 pierwszy satelita Block II-R na orbicie; 2000 wyłączono S/A (Selective Availability). 5

6 Global Positioning System (GPS) Satelity operacyjne drugiej generacji Block II/IIA 1983 kontrakt na budowę 28. satelitów Block II/IIA (Rockwell International) - 48 mln $ za egzemplarz; full scale operational satellites; umieszczenie satelitów na orbicie; 2 atomowe zegary rubidowe i 2 cezowe; częstotliwości L1 i L2; przewidywany czas działania: 7,5 roku (12-23 lata); wprowadzenie: anti-spoofing (AS); selective availability (S/A); możliwość 14-dniowej (II) lub 180-dniowej (IIA) pracy autonomicznej; 1993 osiągnięcie pełniej konstelacji 24. aktywnych satelitów; 2013 wciąż 8 aktywnych sat. IIA 6

7 Global Positioning System (GPS) Satelity operacyjne trzeciej generacji Block IIR 1989 kontrakt na budowę 21. satelitów Block IIR (Lockheed Martin); wyniesienie na orbity 12. satelitów; przewidywany czas działania: 10 lat; częstotliwości L1 i L2; moc baterii słonecznych 1136 W; większa moc nadawanych sygnałów; 2 atomowe zegary rubidowe i 1 cezowy (nowa generacja, hot backup); programowalny procesor; tryb AUTONAV (180 dni), Crosslink. 7

8 Global Positioning System (GPS) Satelity operacyjne trzeciej generacji Block IIR-M zlecono przebudowę 8. satelitów Block-IIR pozostających w magazynach; nowe sygnały wojskowe kod M na obu częstotliwościach; nowy sygnał cywilny L2C: pozwala użytkownikom cywilnym na korzystanie z drugiej częstotliwości; niska moc; lepsze własności autokorelacji i crosskorelacji; nowa centymetrowa depesza nawigacyjna CNAV (L2C, jesień 2009); Flex-power M; 26 września 2005 wystrzelono pierwszego zmodernizowanego satelitę; obecnie 7 aktywnych satelitów Block IIR-M; 2015 L2C IOC; 2018 L2C FOC. 8

9 Global Positioning System (GPS) Satelity operacyjne czwartej generacji Block IIF 1996 kontrakt dla Rockwell Int. (Boening) na 6+27 satelitów; 2000 nowe warunki kontraktu 12 satelitów IIF (średnia cena 121 mln $); 2001/2005 planowane wyniesienie pierwszego satelity; problemy techniczne i opóźnienia, pierwszy IIF skompletowany w 2007; 2009 B. Parkinson wzywa do porzucenia programu IIF; 4 udane starty: pierwszy ; nowości: cyfrowe zegary atomowe (2 cezowe i 2 rubidowe); sygnał L5 (z CNAV); brak modułu S/A; brak silnika apogeum; moc baterii słonecznych 2440 W; żywotność: 12 lat; 2021 FOC L5. 9

10 Global Positioning System (GPS) Obecny stan konstelacji GPS 10

11 Global Positioning System (GPS) Satelity operacyjne nowej (V) generacji Block III 2008 kontrakt dla Lockheed Martin na 8 satelitów Block IIIA (3,5 mld $); 2013 budowa i testy pierwszego satelity Block III 2014/15 pierwszy start; nowe możliwości: większa moc sygnałów; nowy sygnał L1C (nowa struktura pozwala na śledzenie słabego sygnału); NAVWAR (możliwość lokalnego wyłączenia systemu); wzajemna wymiana informacji (crosslink); real-time crosslink (IIIB); spotbeams (IIIC); informacja o wiarygodności sygnałów (IIIC); Distress Alerting Satellite System (DASS); żywotność: 15 lat; planowane kolejne zamówienia na 8 satelitów IIIB i 16 IIIC (faworytem Lockheed); 2020 (?) IOC L1C; 2026 FOC L1C. 11

12 Global Positioning System (GPS) Modernizacja segmentu naziemnego (OCS) 2005 włączenie stacji NGA do OCS 12

13 Global Positioning System (GPS) Modernizacja segmentu naziemnego (OCS) Średni błąd położenia satelity obliczonego na podstawie depeszy nawigacyjnej 13

14 Global Positioning System (GPS) Modernizacja segmentu naziemnego (OCS) r. uruchomienie OCS-AEP (Architecture Evolution Plan): OCS II generacji; od 2006 r. równoległa praca obu systemów; sukcesywne przełączanie kolejnych satelitów na OCS-AEP; wykonawca: Boening/Lockheed; przejście z komputerów typu mainframe (z lat 70. XX w.) na architekturę serwer-klient; nowe oprogramowanie; wsparcie dla nowych sygnałów (L2c, L5); wsparcie satelitów Block IIF; lepsza dokładność efemeryd pokładowych; nowy format depeszy nawigacyjnej (CNAV). 14

15 Global Positioning System (GPS) Modernizacja segmentu naziemnego (OCS) 2007 kontrakt na OCS III generacji OCX (Advanced Operational Control Segment): wykonawca: Raytheon; cel: wsparcie dla GPS Block III i nowych funkcji (np. spotbeams, NAVWAR, crosslink); całkowita wymiana sprzętu i oprogramowania; budowa modułowa (net-centric); zwiększenie liczby monitorowanych satelitów z 32 do 62; wstępna gotowość 2013; gotowość operacyjna

16 Global Positioning System (GPS) Nowa konstelacja GPS: 24+3 Expandable 24 Cel: wykorzystanie nadliczbowych satelitów do poprawy geometrii; zwiększenie liczby widocznych satelitów w trudnych warunkach obserwacyjnych; 2010 zatwierdzono nową konfigurację i rozpoczęto procedurę przemieszczenia SVN 24, 26, 30 i 55; 2011 przemieszczenie SVN 46 i 56; osiągnięcie docelowej konstelacji; kto najwięcej zyskał: użytkownicy RTK (geodeci); wojska w Afganistanie. 16

17 Global Positioning System (GPS) Kalendarium modernizacji systemu GPS (początek 2010 r.) 2013 L2C IOC; 2014 M-code FOC, pierwszy GPS Block III; 2015 OCX FOC (IOC?); 2018 L2C FOC; 2021 L5 FOC; 2026 L1C FOC (Block III); 2010 różne raporty szacują roczną wartość rynku GPS na mld $. 17

18 Global Navigation Satellite System (GLONASS) 18

19 Global Navigation Satellite System (GLONASS) Konstelacja satelitów: wysokość orbity: km; nachylenie orbity: 64,8º; okres obiegu: 11 h 15 m ; liczba płaszczyzn: 3; satelitów w płaszczyźnie: 8; liczba satelitów: 24. Charakterystyka sygnałów: Podstawowe informacje częstotliwości fal nośnych: L1: 1593, ,00MHz, f=0,5625mhz, kod C/A i P (FDMA); L2: 1237, ,06MHz, f=0,4375mhz, kod C/A(od 2003r.) i P (FDMA). Pozostałe informacje: system współrzędnych: PZ-90.02; system czasu: UTC(SU); zarządca: ROSKOSMOS; ogłoszenie pełnej operacyjności: 7 marca

20 Global Navigation Satellite System (GLONASS) Kalendarium GLONASS 1970 rozpoczęto studia nad nowym systemem pozycjonowania satelitarnego; 1976 rząd ZSRR uruchamia program budowy GLONASS, start pierwszego testowego satelity; 1982 umieszczenie na orbicie pierwszego satelity GLONASS; wyniesiono 43 satelity, żywotność ok. 3 lat; 1991 upadek ZSRR, 12 aktywnych satelitów na orbicie; 1993 IOC z 12 satelitami; satelity GLONASS na orbicie ogłoszenie FOC; kryzys ekonomiczny w Rosji, brak środków na podtrzymanie konstelacji; 1999 dekret prezydenta FR GLONASS ma służyć zarówno celom cywilnym jak i wojskowym; 2001 tylko 6 operacyjnych satelitów, rząd FR przyjmuje program rozwoju GLONASS na lata (Prezydent Putin uczynił rozwój systemu priorytetowym) 20

21 Global Navigation Satellite System (GLONASS) 21

22 Global Navigation Satellite System (GLONASS) Dotychczasowa Modernizacja GLONASS W latach umieszczano na orbicie satelity I. generacji GLONASS: żywotność 3 lata (4,5); sygnały L1 - C/A i P; sygnały L2 P; zegary: 5x10-13 s. Od 2003 zaczęto umieszczać na orbicie satelity GLONASS-M: żywotność 7 lat; sygnały L1 - C/A i P; sygnały L2 - C/A i P; zegary: 1x10-13 s; ISL (Inter Satellite Link); lepsza stabilizacja przyjęto uaktualniony program rozwoju GLONASS 24 aktywne satelity w 2010 r zmiana układu współrzędnych z PZ-90 na PZ (zgodny z ITRF2000). 22

23 Global Navigation Satellite System (GLONASS) Stan obecny 22 23/

24 Global Navigation Satellite System (GLONASS) Stan obecny 24

25 Global Navigation Satellite System (GLONASS) Segment naziemny Modernizacja GLONASS 2013 nowe centrum kontrolne w Moskwie Luty 2012 pierwsza stacja poza Rosją (Brazylia); Umowy z Hiszpanią, Australią i Indonezją; Docelowo 30 stacji zagranicznych. 25

26 Global Navigation Satellite System (GLONASS) GLONASS-K1: Modernizacja GLONASS żywotność 10 lat; sygnały L1 - C/A i P (FDMA); sygnały L2 C/A i P (FDMA); nowy sygnał L3(L5)-1202,025MHz, kod C/A (CDMA); zegary: 5x10 14 s; niehermetyzowany korpus; grudzień pierwszy start (nieudany); luty 2011 pierwszy GLONASS-K1 na orbicie; 2013 planowany GLONASS K-2: żywotność 10 lat; sygnały L1 - C/A i P (FDMA); sygnały L2 C/A i P (FDMA); nowe sygnały L1, L2, L3(L5), kod C/A i P (CDMA); zegary: 1x10 14 s. Szacuje się, że program rozwoju GLONASS w latach kosztował 4,7 mld $. Na lata przewidziano dalsze 10,8 mld $ 26

27 Global Navigation Satellite System (GLONASS) Nowe sygnały GLONASS 27

28 Global Navigation Satellite System (GLONASS) Plesieck

29 Galileo 29

30 Konstelacja satelitów: wysokość orbity: km; nachylenie orbity: 56º; okres obiegu: 14 h 00 m ; liczba płaszczyzn: 3; satelitów w płaszczyźnie: 9+1; liczba satelitów: Charakterystyka sygnałów: Galileo Podstawowe informacje częstotliwość podstawowa: 10,23MHz; częstotliwości fal nośnych: E1: 1575,42MHz; E5a/E5b: 1191,795MHz; E6: 1278,75MHz. Pozostałe informacje: system współrzędnych: GTRS (±3cm do ITRS); system czasu: GST (Galileo System Time) (UTC+15s); zarządca: UE; Full Operational Capability: 2008/2012/2016/

31 Galileo Kalendarium Galileo 1999 prace koncepcyjne nad europejskim systemem (Niemcy, Francja, Wielka Brytania, Włochy); umowa UE i ESA prace przygotowawcze, 1,1 mld do 2005, FOC w 2010, 2/3 kosztów sektor prywatny (formuła PPP); umowa UE i USA o interoperacyjności Galileo i GPS; powołanie GSA (Galileo Supervisory Authority); Giove-A (Galileo In-Orbit Validation Element) na orbicie ( termin rezerwacji częstotliwości w ITU); załamanie się koncepcji PPP; badanie opinii publicznej (25 tys.) 80% za budową Galileo, 63% za finansowaniem ze środków publicznych; rezolucja Parlamentu Europejskiego o woli budowy Galileo ze środków UE; uzgodniono wspólny sygnał L1/E1 (MBOC dla Galileo i GPS-III); kontrakt na przygotowanie fazy IOV (In-Orbit Validation) ESNI; Giove-B na orbicie (pierwszy maser wodorowy w kosmosie); PE zatwierdził 3,4 mld na budowę systemu ( , KE+ESA), dotychczas (2012) wydano 2,6 mld ; kontrakty na 4 satelity In-Orbit Validation (IOV) (Astrium/OHB oraz Ariane Space). 31

32 Galileo Kalendarium Galileo raport KE: UE przeznacza 15 mln na rozwój nowych aplikacji Galileo (USA 500 mln $); KE przyznaje, że brakuje 1,5-1,7 mld na budowę pełnego systemu; kontrakty na budowę fazy IOC: W tym 566 mln dla OHB System AG -budowa pierwszych 14 satelitów operacyjnych; KE publikuje "Galileo Open Service Signal-In-Space Interface Control Document (OS SIS ICD); kontrakt na budowę segmentu kontrolnego FOC - Ground Control Segment - GCS (dla SpaceOpal = DLR+Telespazio); Praga wybrana na siedzibę GSA; start 2 pierwszych satelitów IOV z Kourou; kontrakt dla OHB na kolejne 8 satelitów fazy operacyjnej; start 2 kolejnych satelitów IOV; przyznano 6,3 mld na budowę pełnego systemu ; pierwsze wyznaczenie pozycji na podstawie sygnałow Galileo; (?) 16 satelitów na orbicie (4 IOV + 12 FOC) ogłoszenie IOC; 2018 (?) FOC (27/30 satelitów). 32

33 OS Open Service; CS Commercial Service (płatna licencja, kodowany); PRS Public Regulated Service (kodowany); SOL Safety of Live Service (informacja o wiarygodności); E1 OS, PRS, SOL; E6 CS, PRS; E5a/E5b OS, CS, SOL; Transpoder S&R. Galileo Sygnały i serwisy 33

34 Galileo IOV (in-orbit Validation) czerwiec 2009 kontrakt dla Astrium/OHB; cel: testowanie ostatecznej konfiguracji systemu; 2 masery wodorowe i 2 zegary rubidowe; lipiec 2011 dr Ignacio Gutierrez-Canas, (inżynier systemów nawigacyjnych IOV w OHB) odwiedza UWM! 20 października 2011 start 2 IOV (Sojuz, Kourou) satelity IOV będą włączone do nominalnej konstelacji Galileo. 34

35 Galileo Galileo Ground Control Segment (GCS) Stacje kontrolne (Ground Control Center GCC): Oberpfaffenhofen (zarządzanie satelitami, Niemcy); Fucino (zarządzanie sygnałami, Włochy); Stacje Telemetry, Tracking and Command (TTC): Reunion (Ocean Indyjski); Noumea (Nowa Kaledonia); Kiruna (Szwecja); Kourou (Gujana Francuska); New Norcia (Australia); docelowo (FOC) 9 stacji. Stacje Galileo Sensor Stations (GSS): docelowo ~20-30 stacji. 35

36 BDS / COMPASS (Beidou-2) 36

37 Konstelacja satelitów: wysokość orbity: km; nachylenie orbity: 55º; okres obiegu:? liczba płaszczyzn: 3; satelitów w płaszczyźnie: 9; liczba satelitów: 27 MEO, 5 GEO, 3 IGSO. Charakterystyka sygnałów: BDS / COMPASS (Beidou-2) Podstawowe informacje częstotliwość podstawowa: 10,23MHz; częstotliwości fal nośnych (CDMA): B1/E1: 1561,098MHz/1575,420MHz; B2/E5b: 1207,140MHz /1191,795MHz; B3/E6: 1268,520MHz. Pozostałe informacje: system współrzędnych: China Geodetic System (CGS); system czasu: UTC(Cn) (<100ns); zarządca: ChRL; Full Operational Capability:

38 BDS / COMPASS (Beidou-2) satelity testowe GEO (Beidou-1); umieszczenie pierwszego satelity na orbicie MEO (COMPASS-M1); pierwszy GEO (COMPAS G1); Chiny ogłaszają, że COMPASS będzie transmitował wspólny sygnał L1/E1 MBOC, przedstawiają docelowy plan częstotliwości; pierwszy IGSO; publikacja Interface Control Document (ICD): BeiDou Navigation Satellite System - BDS 2012 pokrycie regionalne (Chiny); Kalendarium COMPASS 4 MEO, 5 GEO, 5 IGSO na orbicie (więcej niż Galileo!); faza budowy systemu pokrycie globalne; 2020 FOC (27 MEO, 5 GEO, 3 IGSO). 38

39 BDS / COMPASS (Beidou-2) Sygnały COMPASS sygnał cywilny (OS) sygnał kodowany (PRS) 39

40 Podsumowanie Sygnały GNSS w 2020 r. 32 satelity GPS; 24 satelity GLONASS; 27 satelitów Galileo; 27 satelitów COMPASS; 110 satelitów GNSS (MEO). 40

41 Olsztyn, r. Dziękuję za uwagę