PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA

Transkrypt

1 AKADEMIA MORSKA W GDYNI Nr ewidencyjny... Data wydania tematu... Data złożenia pracy... WYDZIAŁ NAWIGACYJNY Katedra Transportu i Logistyki Wyrażam zgodę na udostępnianie mojej pracy dyplomowej.. data podpis PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA Dyplomant: inż. Numer albumu: Specjalność: Technologie Offshorowe Promotor: prof. dr hab. inż. Cezary Specht Ocena: Recenzent: dr Sambor Guze Ocena: Egzamin dyplomowy: Temat: Ocena dokładności pozycji rozwiązań fazowych GPS-GLONASS z wykorzystaniem aktywnych sieci geodezyjnych w precyzyjnej nawigacji Zakres: Dyplomant Część opisowa zawiera opis rozwoju systemów i infrastruktury umożliwiającej precyzyjne pozycjonowanie satelitarne. W dalszej kolejności podjęto się syntezy wymagań aplikacji nawigacyjnych. Pracę kończy część praktyczna, w której oszacowano kryteria porównawcze dla techniki ciągłych pomiarów satelitarnych opracowane na podstawie rezultatów obserwacji eksperymentalnych.... Promotor... Dziekan...

2 z wykorzystaniem aktywnych sieci geodezyjnych w precyzyjnej nawigacji imię i nazwisko Gdynia, dnia OŚWIADCZENIE Świadomy odpowiedzialności prawnej oświadczam, że złożona praca magisterska pt.: Ocena dokładności pozycji rozwiązań fazowych GPS/GLONASS z wykorzystaniem aktywnych sieci geodezyjnych w precyzyjnej nawigacji została napisana przeze mnie samodzielnie. Równocześnie oświadczam, że w praca wykorzystano tylko cytowaną literaturę, a więc praca nie narusza praw autorskich w rozumieniu Ustawy z dnia 4 lutego 1994 roku o prawie autorskim i prawach pokrewnych (Dz.U. 1994, nr 24, poz. 83) oraz dóbr osobistych chronionych prawem cywilnym. Ponadto praca nie zawiera informacji i danych uzyskanych w sposób nielegalny i nie była wcześniej przedmiotem innych procedur urzędowych związanych z uzyskaniem dyplomów lub tytułów zawodowych uczelni wyższej. Oświadczam ponadto, że niniejsza wersja pracy jest identyczna z załączoną wersją elektroniczną na płycie CD.... podpis

3 WSTĘP SYSTEMY AKTYWNYCH SIECI GEODEZYJNYCH W NAWIGACJI Satelitarne systemy nawigacyjne Charakterystyka i klasyfikacja Systemy wspomagania Perspektywy rozwoju Stan obecny jako poziom odniesienia System ASG- EUPOS Precyzyjne pomiary fazowe Realizacja Aktywnej Sieci Geodezyjnej Metody pomiaru i dostępne serwisy Dalszy rozwój Pozostałe systemy Sieci krajowe Sieci międzynarodowe WYMAGANIA NAWIGACJI PRECYZYJNEJ Systematyka porównawcza Podział systemów i użytkowników nawigacji Kryteria porównawcze Charakterystyki systemów Nawigacja morska Charakterystyka segmentu Wymagane parametry użytkowe Obecne i możliwe rozwiązania nawigacyjne Nawigacja powietrzna Charakterystyka segmentu Wymagane parametry użytkowe Obecne i możliwe rozwiązania nawigacyjne Nawigacja lądowa i specjalistyczna Charakterystyka segmentu Wymagane parametry użytkowe

4 Obecne i możliwe rozwiązania nawigacyjne OCENA ZDATNOŚCI WYNIKÓW POMIARU EKSPERYMENTALNEGO DO ZASTOSOWAŃ NAWIGACYJNYCH Przebieg objazdu Założenia i warunki techniczne Realizacja Kryteria dokładności pomiaru Determinanty jakości obserwacji Przesłony terenowe Odległość od stacji referencyjnej Częstość pozycjonowania Wpasowanie obiektów liniowych Odcinek prostoliniowy Odcinek krzywoliniowy Zastosowania nawigacyjne WNIOSKI BIBLIOGRAFIA SPIS RYSUNKÓW SPIS TABEL ZAŁĄCZNIKI Szczegółowe dane statystyczne pomiarów Dane pomiarów źródłowych Dane łączne pomiaru Dane odcinków próbnych Dane odcinków analizowanych Miary wpasowania wielomianu jednolitego w punkty odcinków krzywoliniowych Miary dostępności i ciągłości pomiarów eksperymentalnych Miary dostępności i ciągłości pomiarów na analizowanych odcinkach

5 2. Funkcje dotyczące aproksymacji wielomianowej Aproksymacja wielomianowa dowolnego stopnia Oszacowanie odchyleń od aproksymacji wielomianowej Oszacowanie sumy kwadratów odchyleń regresji liniowej i wielomianów stopnia do określonego stopnia Oszacowanie stopnia wielomianu o najmniejszej sumie odchyleń kwadratów aproksymacji Aproksymacja wielomianowa stopnia o minimalnej sumie kwadratów odchyleń Szacowanie Chi kwadrat dla wektora stopni wielomianu Wyznaczanie stopnia wielomianu o najwyższej wartości Chi kwadrat Szacowanie błędu średniokwadratowego aproksymacji RMSEA dla wektora stopni wielomianu Wyznaczanie stopnia wielomianu o minimalnej wartości błędu średniokwadratowego aproksymacji RMSEA Szacowanie sumy kwadratów odchyleń, Chi kwadrat i błędu średniokwadratowego RMSEA dla kolejnych stopni wielomianu Przyrost odchylenia do wielomianu w pokonanej odległości Kubiczna krzywa sklejana Szacowanie Chi kwadrat aproksymacji wielomianem Funkcje dotyczące regresji liniowej Ważona regresja liniowa Regresja liniowa częściowo ważona Różnica parametrów regresji liniowej ważonej i prostej Wektor odchyleń regresji ważonej od regresji prostej Porównanie wartości regresji oraz pomierzonej dla pierwszego i ostatniego elementu wektora danych oraz suma niniejszych różnic Transformacja układu współrzędnych względem rezultatu regresji ważonej Kąt zwrotu prostej regresji ważonej Zmiana kąta zwrotu prostej wynikła z ważenia regresji Funkcja liniowa na podstawie co N-tego punktu danych Funkcje pomocnicze Wycinanie fragmentu danych wg granicy dolnej i górnej (odcinki współrzędnych) Wycinanie fragmentu danych wg granicy górnej (dokładność) Zliczanie wierszy macierzy odfiltrowanej Zliczanie elementów macierzy względem wektora progów filtrowania Tworzenie wektora z elementów wektora źródłowego danego znaku Liczba stopni swobody aproksymacji wielomianowej Zwiększenie odchyleń wektora od 0 o wartości drugiego wektora

6 4.8. Błąd średniokwadratowy aproksymacji RMSEA Średnia ważona Różnica średniej ważonej i arytmetycznej Odcięcie pierwszej wartości wektora Odcięcie wartości minimalnej wektora Przybliżony współczynnik skośności Dokładny współczynnik skośności Kurtoza Eksces Odległość między kolejnymi punktami współrzędnych 3D Lokalna rozdzielczość czasowa pomiaru Prędkość średnia Prędkość chwilowa na przedziale X wyznaczeń Wydzielenie środka wektora Lokalny odstęp między punktami dla przedziałów X wyznaczeń Odległość punktów wektora od punktu o danych współrzędnych Funkcja wyznaczająca miary lokalizacji i rozproszenia podstawowych wielkości określających warunki i rezultaty pomiaru Usunięcie duplikatów z wektora zawierającego liczby całkowite w kolejności rosnącej Czas nieciągłości Nieciągłość wartość względna Oszacowanie liczby wyznaczeń pominiętych Szacowanie miar ciągłości Wykresy uzupełniające Rozkład dokładności wyznaczeń całej sesji pomiarowej w funkcji odległości od stacji referencyjnej Rozkład dokładności wyznaczeń fragmentu szóstego w funkcji odległości od stacji referencyjnej Rozkład dokładności wyznaczeń fragmentu szóstego o dokładności lepszej niż 100 cm w funkcji odległości od stacji referencyjnej Rozkład dokładności wyznaczeń fragmentu szóstego o dokładności lepszej niż 5 cm w funkcji odległości od stacji referencyjnej Sumy kwadratów odchyleń aproksymacji wielomianowej stopni 2-26 od obserwacji dla danych analizowanych odcinków krzywoliniowych Wykres prędkości na analizowanej prostej nr Wykres prędkości na analizowanej prostej nr Wykres prędkości na analizowanej krzywej nr

7 5.9. Wykres prędkości na analizowanej krzywej nr Wykres dystansu między punktami na analizowanej prostej nr Wykres dystansu między punktami na analizowanej prostej nr Wykres dystansu między punktami na analizowanej krzywej nr Wykres dystansu między punktami na analizowanej krzywej nr

8 Wstęp Próbując porównać nasz obecny styl życia z tym, którego udział przypadł naszym poprzednikom sprzed choćby 100 lat, nieomal na pewno bylibyśmy zaskoczeni jak znaczny wpływ miał rozwój nawigacji na współczesny świat. Niewątpliwie wiele racji mają badacze wymieniający postępującą globalizację jako zjawisko wyróżniające czasy współczesne. Miejsca niegdyś dla przeciętnego człowieka tak odległe, że niedostępne stały się dziś składowymi tzw. globalnej wioski. Zawdzięczamy to przede wszystkim rozwojowi komunikacji zarówno informacyjnej, jak i transportowej. Postęp drugiej z wymienionych przedstawiany jest w większości przypadków w aspekcie wdrożenia w powszechny użytek nowych środków transportu oraz niebagatelnego usprawnienia tych wcześniej istniejących. Poza tą główną przyczyną znacznego przyrostu transportowanych towarów i osób zwykle pomijany jest jednak towarzyszący rozwój w dziedzinie sterowania i organizacji ruchem. Kluczowym jej elementem jest natomiast określanie bieżącego położenia podczas przemieszczania się oraz określenie optymalnej drogi do obranego celu pod względem wybranych kryteriów, czyli nawigacja. Nie bez znaczenia jest kolejność zagadnień objętych wspomnianą dziedziną wiedzy. Trudno bowiem mówić o wyznaczaniu dalszej drogi bez oparcia o dane dotyczące bieżącego położenia. Zawężając kwestię do ustalenia pozycji stwierdzić można bez zasięgania po dodatkowe informacje, że wzrost wielkości transportu, mierzonego liczbą pasażerów i ilością ładunków będzie w pewnym stopniu uzależniony od dokładności, dostępności i wiarygodności systemów i przyrządów do pozycjonowania jednostek, dostarczających niezbędnych danych dla zarządzania ruchem. Najbardziej oczywistym do przytoczenia przykładem systemu pozycjonowania będącego w powszechnym użytku w momencie sporządzenia niniejszego opracowania jest GPS, a właściwie GPS-Navstar, czyli z angielskiego (Global Positioning System Navigation Signal Timing and Ranging) System Globalnego Pozycjonowania Pomiar Odległości i Synchronizacja Sygnałem Nawigacyjnym. Z racji na prostotę użytkowania, relatywnie niski koszt odbiornika, wysoką dostępność i ogólnoświatowy zasięg rozwiązania oparte na GPS znalazły zastosowanie w prawdopodobnie wszystkich rodzajach transportu wliczając nawet pieszy z uwagi na mobilne aplikacje rekreacyjne. Wśród bardziej tradycyjnie pojętych sposobów wykorzystania systemów satelitarnych wymienić można odbiorniki nawigacji samochodowej, zaawansowane systemy nawigacji lotniczej, systemy nawigacyjne mostka na - 8 -

9 statkach, wykorzystanie danych w ramach autopilota lub dynamicznego pozycjonowania i pierwotne, militarne przeznaczenie GPS, tj. umożliwienie naprowadzania pocisków. Zaznaczyć należy, że oprócz tego najbardziej znanego przedstawiciela grupy GNSS (ang. Global Navigation Satellite System Globalnych Systemów Nawigacji Satelitarnej) wymienić można także inne: rosyjski GLONASS, przywrócony ostatnio do stanu pełnej operacyjności (ang. Full Operational Capability), prężnie rozwijany chiński BeiDou-2 (znany także pod pełną nazwą BeiDou Navigation Satellite System oraz wcześniejszą COMPASS), czy też certyfikowany europejski system Galileo. Równoległe wdrożenie działania wielu systemów o podobnym, globalnym zasięgu stwarza szanse uzyskania ze strony odbiorcy parametrów użytkowych przekraczających możliwości każdego z nich z osobna. Już obecnie możliwości te prezentowane są przez dwusystemowe odbiorniki GPS/GLONASS, których popularyzacja niedawno zaszła na rynku komórkowym. Nie będzie daleko wysuniętym wnioskiem przypuszczenie obniżenia ich ceny w niedalekiej przyszłości z racji na wprowadzenie do masowej produkcji. Zwiększenie dostępności zarówno w rozumieniu możliwości nabycia odbiorników przez potencjalnych użytkowników, ale przede wszystkim ciągłości czasu działania systemów w ich określonym zasięgu nie jest jednak jedynym parametrem koniecznym w dalszym rozwoju satelitarnych systemów nawigacyjnych. Coraz liczniejsza grupa odbiorców użytkowników ruchu będzie bowiem stymulować powstawanie tzw. wąskich gardeł, które w przypadku transportu występować będą głównie na skrzyżowaniach połączeń i miejscach przeładunku. Określanie pozycji w takich obszarach będzie przedmiotem coraz poważniejszych wymagań odwrotnie proporcjonalnych do malejącego marginesu tolerancji błędu potrzebnego do uniknięcia kolizji przy zachowaniu ciągłości ruchu. Tu natomiast nawigacja precyzyjna, do której sprowadza się zagadnienie, napotyka na trudność spowodowaną relatywnie niską dokładnością domyślnych kodowych rozwiązań GNSS, nawet w przypadku odbiorników dwusystemowych GPS/GLONASS lub przyszłych, wielosystemowych. Koniecznością zatem jest wykorzystanie systemów wspomagania GNSS. Wyznaczone przez nie poprawki w oparciu o pomiar ciągły na punkcie referencyjnym o znanych współrzędnych są transmitowane do użytkowników posiadających radiomodem poprzez satelity (w przypadku SBAS ang Satellite-Based Augmentation System) lub naziemną stację nadawczą (GBAS ang. Ground-Based Augmentation System). Obecnie najbardziej rozpowszechnione w nawigacji morskiej jest stosowanie rozwiązań GPSu różnicowego (dgps ang. differential GPS), realizowanego przez system DGPS-PL ze stacjami referencyjnymi w Rozewiu i Dziwnowie. Metrowa dokładność uzyskiwanych w ten sposób współrzędnych - 9 -

10 w obecnej nawigacji precyzyjnej nie jest jednak najwyższą obecnie dostępną. Odchylenie standardowe 95% wyznaczeń w granicach 2-3 cm uzyskane może zostać posługując się metodami opartymi o pomiar fazy fali nośnej sygnału satelitarnego. Niezbędny w tym celu ciągły strumień poprawek musi być zapewniony przez serwis obsługujący infrastrukturę stacji referencyjnych. W Polsce tę rolę pełni ASG, czyli Aktywna Sieć Geodezyjna, będąca krajowym przedłużeniem europejskiej sieci EUPOS (ang. European Position Determination System) Praktyczność tego typu pomiarów potwierdza ich rosnąca popularność, której symptomem może być m.in. wejście na rynek polski konkurencyjnej sieci Leica Smartnet, które w województwie pomorskim dokonało się 27 września 2012 roku. Należy zaznaczyć, że drugi z wymienionych serwisów jest płatny, w przeciwieństwie do pierwszego, na chwilę obecną darmowego choć prawdopodobne opłaty mają wejść w życie przed 12 lipca 2014 roku wraz z nowelizacją Prawa geodezyjnego i kartograficznego. Inwestor, którym jest Leica Geosystems musiał również wysoko ocenić potencjał rozwoju branży satelitarnych pomiarów precyzyjnych, skoro zdecydował się przez prawie 3 lata konkurować z bezpłatnym serwisem udostępniania poprawek. Zbliżające się wyrównanie ceny usług oferowanych przez różnych dostawców skłania do porównania również ofert przedsiębiorstw tej branży działających w innych częściach świata. Praktyczne określenie perspektyw wykorzystania różnych konfiguracji przeprowadzanych pomiarów fazowych powinno się odbywać w możliwie powtarzalnych warunkach oferujących przy tym możliwość przedstawienia zarówno ich ograniczeń, jak i osiągów przy optymalnym działaniu. Nie wykraczając poza aspekt nawigacji precyzyjnej morskiej, lądowej i lotniczej wybrano połączenia szynowe jako wariant umożliwiający zaprezentowanie specyfikacji opisywanych metod pod względem powyższych kryteriów. Analiza danych sesji pomiarowych GNSS realizowanych podczas objazdu drezyną z zamontowanymi odbiornikami pozwala na odniesienie rezultatów pomiarów do istniejącej osi toru. Tym samym możliwe jest określenie czynników o negatywnym wpływie (m.in. widoczność horyzontu), których największe zróżnicowanie występuje w warunkach lądowych. Z drugiej strony, wysoki poziom implementacji niezbędnej infrastruktury i serwisów stwarza możliwość ustalenia stanu docelowego przy najlepszym wykorzystaniu dostępnych obecnie i niebawem wprowadzanych technologii. Przedstawione wcześniej kwestie zdecydowanie argumentują na rzecz przeprowadzenia oceny dokładności pozycji rozwiązań fazowych GPS i GPS/GLONASS z wykorzystaniem aktywnych sieci geodezyjnych w precyzyjnej nawigacji. Część teoretyczną zwieńczono opracowaniem wyników pomiaru eksperymentalnego z dnia 19 i 20 września 2013 roku,

11 z którego dane zostały udostępnione przez prof. Cezarego Spechta. Połączenie analizy źródeł skonfrontowane z wnioskami i rekomendacjami zdefiniowanymi w oparciu o praktyczny przykład umożliwiło zawarcie w opracowaniu odpowiedzi na pytania i zagadnienia takie, jak: 1. Uwarunkowania przeprowadzania pomiarów fazowych wynikające z obecnego poziomu technologii, przede wszystkim w odniesieniu do usług oferowanych przez serwisy aktywnych sieci geodezyjnych. 2. Wymagania dotyczące minimalnych parametrów przeprowadzanych pomiarów dla zastosowań w obszarach precyzyjnej nawigacji morskiej, lądowej i lotniczej. 3. Przykłady zastosowań satelitarnej nawigacji precyzyjnej w usprawnianiu przemieszczania się okrętów, pojazdów i maszyn latających oraz perspektywy rozwoju. 4. Ocena parametrów wybranych konfiguracji dokonywania pomiarów fazowych w oparciu o pomiar eksperymentalny. 5. Określenie warunków do zapewnienia optymalnego działania metod precyzyjnego wyznaczania pozycji do celów nawigacyjnych. Wymieniony tym sposobem zakres tematyczny ogranicza zagadnienia omówione w pracy tak, by wyczerpująco odpowiedzieć na pytanie zawarte w temacie. Przedstawione elementy podzielono między 3 rozdziały o treści następującej po sobie w ciągu logicznym: I. Systemy aktywnych sieci geodezyjnych w nawigacji - opisujący problematykę pomiarów fazowych: rozpoczynając od charakterystyki systemów GNSS operacyjnych obecnie i w przyszłości oraz zawierający porównanie krajowych sieci stacji referencyjnych: ASG- EUPOS oraz dostawców prywatnych. II. Wymagania dokładnościowe w nawigacji precyzyjnej przedstawiający wskazane poziomy m.in. dokładności uzyskiwanych współrzędnych do celu kierowania ruchem morskim, lądowym i lotniczym wraz z przykładami takich zastosowań. III. Ocena zdatności wyników pomiaru eksperymentalnego do zastosowań nawigacyjnych zawierający wielokryterialną analizę rezultatów aproksymacji prostoliniowych i interpolacji krzywoliniowych fragmentów połączeń szynowych z identyfikacją czynników oddziałujących na ich parametry. Założeniem niniejszego opracowania określenie użyteczności dokonywania pomiarów fazowych w celach nawigacyjnych przez porównanie wyników ze stawianymi wymogami Ponadto skupiono się na wyróżnieniu czynników i konfiguracji zestawu odbiornika

12 sprzyjającego uzyskaniu wyznaczeń precyzyjnych czasu rzeczywistego biorąc pod uwagę metody wielosystemowe i korzystanie z usług różnych operatorów serwisów poprawek GNSS. W przypadku stwierdzenia obecnej niekompatybilności osiągniętych z warunkami postawionymi dla danego rodzaju nawigacji sprecyzowano rekomendacje dotyczące możliwości zastosowania przyszłych technologii

13 1. Systemy Aktywnych Sieci Geodezyjnych w nawigacji 1.1. Satelitarne systemy nawigacyjne Charakterystyka i klasyfikacja Podstawowym elementem łączącym wszystkie nawigacyjne i geodezyjne pomiary satelitarne jest wykorzystanie systemu GNSS. Do chwili obecnej nazwa jednego z nich GPS- Navstar zdążyła stać się synonimem globalnego systemu nawigacji satelitarnej. Biorąc pod uwagę potrzebę zachowania aktualności niniejszego opracowania należy rozważyć także charakterystyki pozostałych systemów, takich jak rosyjski GLONASS (ros. Globalnaja nawigacionnaja sputnikowaja sistiema) oraz obecnie budowane: europejski Galileo i chiński COMPASS (BeiDou Navigation System - BDS, z chiń. 北斗衛星導航系統 ). Pozostałe nawigacyjne systemy satelitarne, wśród których wymienić można indyjski IRNSS (ang. Indian Regional Navigation Satellite System) i japoński QZSS (ang. Quasi-Zenith Satellite System, jap. Juntencho) operować będą regionalnie, odpowiednio nad obszarem Indii i Oceanu Indyjskiego oraz między Japonią a Australią. Z uwagi na ograniczone przestrzennie zastosowanie zostaną one pominięte w opracowanym zestawieniu, skupiającym się na użytkownikach krajowych i europejskich. Poniżej zaprezentowano podstawowe porównanie dotyczące liczebności konstelacji satelitów każdego z systemów [Wielgosz P., 2013]: Tabela 1: Zestawienie obecnej i docelowej liczebności konstelacji systemów GNSS [GPS SPS Performance Standard 4, 2008, GLONASS ICD 5.1, 2008, Galileo SIS ICD, 2010, BeiDou OS Performance Standard, 2013]. System Wyszczególnienie Docelowa liczba satelitów Planowana liczba satelitów na rok 2020 Liczba satelitów do uzyskania pełnej konstelacji GPS-Navstar GLONASS Galileo BDS MEO+ 3 IGSO + 3 rozwinięta do GEO min obecnych pełna zdolność operacyjna na obszarze Chin

14 Liczba dodatkowych satelitów operacyjnych Liczba satelitów obecnie (stan na dzień 20 wrzesień 2014) IOV, 24 operacyjne, 31 2 FOC na błędnych 1 sprawdzany, operacyjnych, orbitach, 20 2 zapasowe, 1 wstrzymany zakontraktowanych 1 testowany w budowie 3 MEO, 5 GEO, 3 IGSO 14 operacyjnych: 5 GEO, IGSO, 4 MEO, 2 eksperymentalne Największe rozbieżności między systemami GNSS pod względem liczby satelitów obserwowalne są w kwestii planowania ich dalszej liczby, przy przyjęciu roku 2020 jako czasu odniesienia. W przypadku GPS widoczna jest tendencja ku zwiększeniu liczby do 32 satelitów operacyjnych mimo, że do uzyskania pełnej konstelacji wystarcza pierwotne 21 z jedynie 3 zapasowymi. Federalny Plan Utrzymania, Rozwoju i Użytkowania GLONASS zakłada jedynie utrzymanie pełnej konstelacji 24 operacyjnych tzw. SV (ang. Satellite Vehicle pojazd satelitarny), mimo że obecnie na orbicie jest łącznie 29 urządzeń tego systemu. Galileo w pierwszym kwartale 2014 roku dysponował jedynie 4 działającymi satelitami fazy IOV (ang. In-Orbit Validation), czyli weryfikacji orbitalnej. Drugi satelita fazy FOC (ang. Full Operational Capability pełnych możliwości operacyjnych) w połowie sierpnia 2013 roku został przetransportowany do ESTEC (ang. European Space Research and Technology Centre) w Noordwijk w Holandii, by przejść testy akutstyczne i ciśnieniowo-temperaturowe. Trzeci dołączył do niego 30 kwietnia 2014 roku, a testowanie czwartego rozpoczęło się w czerwcu, 21 sierpnia dwa pierwsze satelity fazy operacyjnej umieszczone zostały na błędnych orbitach z powodu błędu wynoszącego je modułu Fregat. Chiński system BeiDou natomiast zdążył osiągnąć stan pełnych możliwości operacyjnych (FOC) na obszarze terytorium Chin i przyległym już 27 grudnia 2012 roku. Ponadto, 21 maja na sesji otwierającej Chińską Konferencję Nawigacji Satelitarnej (CSNC 2014) w Nankinie zapowiedziano zakończenie III fazy rozwoju systemu BDS w 2017 roku, osiągając tym samym możliwość pełnych globalnych możliwości operacyjnych 3 lata przed początkowym harmonogramem. BeiDou jako jedyny będzie wykorzystywać satelity geostacjonarne, pozostające w stałej pozycji względem użytkownika. Posiadać będzie również najliczniejszą konstelację, składającą się dodatkowo z 30 satelitów MEO (ang. Medium Earth Orbit średniej orbity ziemskiej)

15 Rysunek 1: Obecny zasięg pełnej operacyjności systemu BeiDou [BeiDou OS Performance Standard, 2013] Zauważyć można, że liczby dotyczące satelitów MEO (ang. Medium Earth Orbit), czyli wykorzystywanych we wszystkich 4 systemach nadajników na orbitach średnich okołoziemskich i w przybliżeniu kołowych są zawsze liczbami złożonymi. Nie ma to miejsca w przypadku satelitów na orbitach nachylonych geosychronicznych (IGSO ang. Inclined Geosynchronous Orbit) oraz geostacjonarnych (GEO ang. Geostationary Orbit). Prawidłowość ta wynika z równomiernego rozmieszczenia satelitów na orbitach i podziale ich całkowitej liczby między płaszczyzny orbitalne, opisane poniżej: Tabela 2: Zestawienie charakterystycznych cech płaszczyzn orbitalnych systemów GNSS [GPS SPS Performance Standard 4, 2008, GLONASS ICD 5.1, 2008, Galileo SIS ICD, 2010, BeiDou OS Performance Standard, 2013]. System Wyszczególnienie Liczba satelitów na 1 płaszczyznę orbitalną Liczba płaszczyzn orbitalnych GPS-Navstar GLONASS Galileo BDS MEO rozwinięta IGSO do GEO MEO 3 IGSO

16 Czas na pełne okrążenie Nachylenie płaszczyzny orbitalnej względem, płaszczyzny równika Różnica długości węzłów wstępujących Przybliżona wysokość orbity (promień z pominięciem promienia Ziemi) 11h 16 min., 14h 5 min., 11 h 58 min., tj. (8/17 tj. 10/17 tj. 1/2 doby doby doby syderycznej) syderycznej syderycznej 55º 64.8º 56º 60º 120º 120º km km km 1 GEO 12 h 63 min. (MEO), tj. 10/17 doby syderycznej 55º MEO 55º IGSO 0º GEO 120º MEO 120º IGSO --- GEO km MEO km IGSO km GEO MEO: Walker Delta 55 :24/3/1 IGSO: nachylone geosynchroniczne Typ orbity Walker Delta 55 :24/6/1 Walker Delta 68,4 :24/3/1 Walker Delta 56 :27/3/1 zbieżne dla 3 satelitów w punkcie 118ºE i dla 2 satelitów w 95ºE GEO: geostacjonarna nad długościami E, 80 E, E, 140 E i 160 E Wśród zestawionych powyżej danych dotyczących konstelacji systemów GNSS wyróżnić można podobieństwa, takiej jak zastosowanie głównie rozkładu orbit Walker Delta oraz różnice, wśród których znajduje się różny kąt nachylenia orbit, średnia wysokość orbity i liczba płaszczyzn orbitalnych. Ponadto, znacząco odbiega od pozostałych konstelacja BeiDou w której skład wchodzą także satelity geostacjonarne i geosynchroniczne. Wszystkie wymienione cechy są skutkiem odmiennych charakterystyk użytkowania każdego z systemów. Zastosowana w każdym przypadku dla satelitów na średniej okołoziemskiej orbicie kołowej (MEO) konstelacja Walker Delta, zwana też Rozetą Ballarda [Wood, 2006] zapewnia

17 równomierne rozłożenie satelitów na orbitach wokół globu i pokrycie sygnałem większości jego powierzchni. Wbrew powszechnemu przekonaniu, konstelacja ta zwykle nie zapewnia dostępności sygnału na biegunach, nie tworzy zatem systemu stricte globalnego. W przeciwieństwie natomiast do Gwiazdy Walkera nie powoduje powstania szwu orbitalnego, wokół linii którego rozciąga się obszar niskiego pokrycia sygnałem satelitarnym. Najlepsza geometria ustawienia satelitów widocznych z powierzchni uzyskiwana jest natomiast w średnich szerokościach geograficznych, gdzie wysokość obserwowanych satelitów jest relatywnie wysoka. Rozmieszczenie typu Walker Delta zwiększa również spójność działania systemu, sprawiając że ewentualne anomalie będą jednakowo oddziaływać na wszystkie nadajniki. Porównanie Rozety Ballarda z Gwiazdą Walkera, będącej jej niestosowanym uproszczeniem przedstawiono poniżej: Rysunek 2: Przykładowe układy orbit stosowanych w systemach nawigacji satelitarnej [opracowanie własne na podstawie: Wood L., 2006r.] GPS, jako jeden z dwóch pierwszych systemów (wraz z GLONASS) określanych jako GNSS-1 wyróżnia się 6 orbitami Walker Delta, co miało na celu maksymalizację dostępności sygnału na jak największym obszarze globu. Pozwoliło to uprościć parametry orbit, przez co satelity konstelacji cechuje również czas okrążenia równy połowie doby gwiazdowej (11 godzin i 58 minut). Poniżej zaprezentowano drogi i zasięg 32 satelitów NAVSTAR-GPS obecnych na orbicie 1 czerwca 2014r

18 Rysunek 3: Zasięg sygnału satelitów GPS dnia 1 czerwca 2014r. według danych TLE z portalu CelesTrack. Pierwszym systemem wykorzystującym architekturę segmentu kosmicznego opartą na konstelacji Walker Delta 24/3/1 był radziecki, a obecnie rosyjski GLONASS. Cechą, która pozostała charakterystyczna dla orbit tego systemu jest jednak ich wysokie nachylenie względem płaszczyzny równika, wynoszące 64,8º. Jest ono bliskie nachyleniu krytycznemu równemu 63 26' (oraz '), dla którego nie występuje ruch linii apsyd łączącej perycentrum i apocentrum - punkty skrajnego oddalenia orbity. Poza techniczną możliwością wysłania satelitów na tak nachyloną orbitę, o jej parametrach zdecydowała lepsza dostępność sygnału satelitarnego w wysokich szerokościach geograficznych. O ile obecnie sprzyja to odbiorowi w północnej Rosji, o tyle w czasach Zimnej Wojny, kiedy postawał system, miało wspomóc namierzanie rakiet przez łodzie podwodne w regionie polarnym. Rysunek 4: Zasięg sygnału satelitów GLONASS dnia 1 czerwca 2014r. według danych TLE z portalu CelesTrack

19 W Galileo wykorzystano układ 27/3/1 o nachyleniu 56, będący zatem połączeniem rozwiązań zastosowanych wcześniej w systemach GPS i GLONASS. Europejska konstelacja ma tak jak pierwszy z wymienionych zapewniać największą dostępność sygnału w średnich szerokościach geograficznych, co wpłynęło na wybór inklinacji. Z drugiej strony, decyzja o zastosowaniu 3 płaszczyzn orbitalnych upraszcza konstelację, co wraz ze zwiększeniem średniej wysokości orbit o 3040 km upraszcza utrzymanie segmentu kosmicznego i wydłuża czas życia satelitów. Rysunek 5: Zasięg sygnału satelitów Galileo dnia 1 czerwca 2014r. według danych TLE z portalu CelesTrack. BDS również wykorzystuje konstelację 24/3/1 o nachyleniu 55, a więc uproszczoną wersję układu wykorzystywanego przez system GPS, jednak o wysokości orbit wyższej o średnio 970km. Charakterystyczną cechą jest jednak wykorzystanie nadajników na orbitach geostacjonarnych oraz nachylonych geosynchronicznych. Zwiększają one dostępność sygnału w obszarze nad którym się unoszą, przez co BeiDou będzie po części systemem regionalnym, oferującym poza terytorium Chin i przyległym niższą dostępność sygnału. Część geostacjonarna konstelacji polepsza parametry użytkowe głównie w szerokościach okołorównikowych, natomiast nadajniki na orbitach nachylonych geosynchronicznych także w średnich szerokościach geograficznych. Rozwiązania te powinny ułatwić korzystanie z odbiorników przede wszystkim w tzw. kanionach miejskich, a więc obszarach zurbanizowanych o bardzo niskiej widoczności horyzontu, mającej kluczowy wpływ na czas uzyskania i jakość wyznaczeń. Dla wymienionych nadajników, cechujących się niewielką zmianą położenia na sferze niebieskiej (IGSO) lub jej brakiem (GEO) ograniczony jest

20 natomiast wpływ planowania sesji pomiarowej, w przeciwieństwie do okrążających glob satelitów MEO. Rysunek 6: Zasięg sygnału satelitów BDS dnia 1 czerwca 2014r. według danych TLE z portalu CelesTrack. Wraz z rozwojem segmentów kosmicznych konieczne będzie rozwinięcie części naziemnej systemów, w tym przede wszystkim stacji monitorujących. Problem ten został niedawno stwierdzony w przypadku BDS, dla którego tzw. wiek danych otrzymywanych z nadajników okazał się stary w porównaniu z uzyskiwanych z GPS, a jego różnica wskazywała, że stacje łączności z konstelacją znajdują się jedynie w Chinach. Rysunek 7: Zależność wieku otrzymanych efemeryd od położenia satelitów IGSO systemu BDS [Montenbruck O., Steigenberger P., 2013]

21 O ile w przypadku satelitów geosynchronicznych dezaktualizacja informacji efemeryd (danych pozycji satelitów w czasie) sięga jedynie 5 godzin, to dla części MEO segmentu kosmicznego brak globalnej sieci nadzoru powoduje już opóźnienie równe dobie. Zauważyć można ponadto, że wartość ta jest funkcją drogi przebytej przez rzut satelity na powierzchnię liczonej od terytorium Chin w kierunku wschodnim. Rysunek 8: Zależność wieku otrzymanych efemeryd od położenia satelitów MEO systemu BDS [Montenbruck O., Steigenberger P., 2013]. Tym samym stwierdzić można że efektywność wykorzystania segmentu kosmicznego będzie zależeć w znacznym stopniu od sprawnej i możliwie rozproszonej sieci stacji łączności otrzymującej dane od równie globalnie rozmieszczonej sieci ośrodków śledzenia satelitów. Porównanie systemów uzupełniono zatem o łączne zestawienie rozmieszczenia poszczególnych typów centrów naziemnych obsługi GNSS. Rysunek 10 poza wspomnianym już zaobserwowanym zjawiskiem wysokiego wieku efemeryd satelitów BDS oddalonych od terytorium Chin pozwala przewidywać podobną sytuację dla systemu GLONASS. Wniosek ten wynika z rozmieszczenia stacji łączności wyłącznie w granicach Rosji oraz tylko jednego centrum monitoringu poza nią, tj. kompleksu Okno w mieście Nurek w Tadżykistanie [Kamiński M., 2012]

22 Rysunek 9: Stacje segmentów naziemnych GNSS [na podstawie De Smet P., 2009; He L., Ge M., Wang J., Wickert J., Shuh H., 2013] Na powyższym zestawieniu rozróżniono stacje poszczególnych systemów GNSS kolorami, przyjmując niebieski dla GPS, czerwony dla GLONASS, zielony dla Galileo oraz żółty dla BDS. Lokalizację uzupełniono objaśnieniami dotyczącymi funkcji ośrodków w przypadku trzech pierwszych systemów, dla których dostępne były niezbędne informacje. Skróty pochodzą od następujących oznaczeń w języku angielskim: NGA (ang. National Geospatial Intelligence Agency) stacja monitoring GPS- Navstar zarządzana przez Agencję Wywiadu Geoprzestrzennego USA, AFSCN (ang. Air Force Satellite Control Network) stacja zdalnego śledzenia satelitów zarządzana przez Sieć Kontroli Satelitów Sił Lotniczych USA, MCS/MCS2 (ang. Master Control Station) główna i zapasowa główna stacja kontroli GPS-Navstar, MS niebieski (ang. Monitoring Station) stacja monitoringu systemu GPS- Navstar zarządzana przez Siły Lotnicze USA lub stacja monitoringu GLONASS, SLR (ang. Satellite Laser Ranging) stacja pomiarów laserowych GLONASS, SCC (ang. Satellite Control Center) stacja główna GLONASS,

23 TT&C/TTC (ang. Telemtry Tracking and Control) stacja korygująco-śledząca GLONASS lub Galileo, ULS (ang. UpLink Station) stacja korygująca GLONASS lub Galileo, GSS (ang. Ground Sensor Station) stacja śledząca Galileo, CC (ang. Control Center) stacja kontroli Galileo. Podsumowanie liczebności stacji segmentów naziemnych zagregowanych według podstawowych funkcji istniejących i planowanych przedstawiono w poniższej tabeli: Tabela 3: Zestawienie liczebności stacji segmentów naziemnych GNSS (Galileo dla fazy walidacji orbitalnej IOV oraz operacyjnej FOC) [De Smet P., 2009; He L., Ge M., Wang J., Wickert J., Shuh H., 2013] System Galileo* GPS-Navstar GLONASS Stacje IOV FOC BDS (FOC) Główne Znane lokalizacje Baza lotnicza Falcon, Colorado Springs, Baza lotnicza Vardenberg, Kalifornia Krasnoznamieńsk Redu, Fucino Śledzące ? Znane lokalizacje Monitorujące Znane lokalizacje Baza lotnicza Vardenberg, Hawaje, Colorado Springs, New Hampshire, Grenlandia, Hermitage (UK), Guam, Diego Garcia Szczołkowo, Komsomołsk, Petersburg, Ussuryjsk, Jenisejsk Hawaje, Colorado Springs, Wyspa Wniebowstąpienia, Diego Garcia, Kwajalein, Adelaide, Buenos Aires, Hermitage, Manama, Szczołkowo, Krasnoznamieńsk Jenisejsk, Komsomołsk, Jakuck, Ułan-Ude, Nurek, Kiruna Alaska, Hawaje, Papeete, Wyspa Wielkanocna, Kordoba (Argentyna), Kourou, Waszyngton, Wuhan, Chengdu, Harbin, Hongkong, Xi an, Szanghaj, Tybet,

24 Łączności (korygujące) Znane lokalizacje Quito, Waszyngton, Fairbanks, Osan, Papeete, Pretoria, Wellington Workuta, Murmańsk, Zeleńczuk Svalbard, Redu, Fucino, Ryiadh, Reunion, Hartbeesthoek, Troll (Antarktyda), Perth, Nowa Kaledonia, Urumczi, Korea Południowa Singapur, Perth, Abu Dhabi, Lejda, Johannesburg Cape Canaveral, Papeete, Kourou, Wyspa Jenisejsk, Reunion, Nowa Wniebowstąpienia, Komsomołsk, Kaledonia, Diego Garcia, Szczołkowo Svalbard Kwajalein Zauważyć można rozrost segmentu naziemnego GPS, który początkowo zakładał utrzymywanie 3 anten łączności oraz jedynie 5 stacji monitorujących. Odpowiedniki GLONASS są mniej liczne, jednak ze względu na ograniczenie przestrzenne ich rozmieszczenia, można ocenić, że sieć rosyjskich stacji w głównej docelowej przestrzeni użytkowania jest nawet gęstsza. Najbardziej ambitne plany rozwoju dotyczące naziemnego segmentu GNSS przedstawiła Europejska Agencja Kosmiczna, jednak obecnie dysponuje znikomą częścią założonej struktury. Dla systemu BeiDou na moment czerwca 2014 roku lokalizacje stacji zagranicznych są w trakcie negocjacji wiadomo, że do współpracy dołączyły takie kraje, jak: Tajlandia, Laos i Brunei (kwiecień 2013) oraz Pakistan (maj 2013). Ponadto stacje zagranicznego monitoringu umiejscowiono w Australii, Republice Południowej Afryki, Holandii, Zjednoczonych Emiratach Arabskich i Singapurze. Poza własnymi stacjami monitoringu i śledzenia satelitów na uwzględnić należy rozmieszczenie stacji IGS (ang. International GPS Service), przekazujące instytucjom odpowiedzialnym za zarządzanie systemami własne dane obserwacyjne w takcie 1-godzinnym i częstszym. Rysunek 10 przedstawia istniejące stacje wielosystemowe inicjatywy MGEX (ang. Multi-GNSS Experiment) badającej możliwości interoperacyjności GNSS. Zaznaczyć należy, że sygnał GPS odbierany jest na wszystkich 102 stacjach, GLONASS na 98, Galileo na 91, natomiast BDS jedynie na 36 z nich

25 Rysunek 10: Wielosystemowe eksperymentalne stacje monitorujące według danych portalu IGS-MGEX Prowadzone badania dotyczące interoperacyjności skupiają się obecnie na 2 głównych aspektach wzajemnego dostosowania systemów celem zapewnienia najlepszych parametrów dla użytkownika końcowego: Parametrów orbitalnych poszczególnych konstelacji maksymalizujących ogólną dostępność i minimalizujących interferencję, dla których nie są przewidywane większe zmiany, Częstotliwości nośnych i modulacji sygnału minimalizujących interferencję sygnałów. Skutkiem wykorzystania znacznego zakresu dostępnego pasma podjęto działania, takie jak porozumienie o interoperacyjności GPS-Navstar oraz Galileo oraz planowana modernizacja GLONASS, związana z przejściem z rozróżniania satelitów za pomocą częstotliwości (FDMA ang. Frequency-Division Multiple Access) na rozróżnianie kodowe, stosowane przez amerykańskie nadajniki (CDMA ang. Code-Division Multiple Access). Stan uzgodnień i możliwości współdziałania GNSS na rok 2013 przedstawiono na rysunku

26 Rysunek 11: Częstotliwości używane przez systemy GNSS obecnie i w przyszłości. [Ashcroft N., 2013] Na niebiesko zaznaczono lokalne systemy satelitarne: japoński QZSS Kwazi-zenitalny System Satelitarny oraz Indyjski Regionalny Nawigacyjny System Satelitarny, IRNSS. Kolorem zielonym połączono sygnały o potwierdzonej zgodności, natomiast czerwonym wskazano pary powodujące wzajemne interferencje. Zachodząca obecnie modernizacja GLONASS przyjęła współdziałanie z pozostałymi systemami (wymieniając GPS i Galileo) jako jeden z założonych celów, należy się więc spodziewać zgodności nowych sygnałów, mimo obecnej niedostępności danych na ten temat. Podobne deklaracje przedstawia strona chińska,

27 jednak dotychczas nie przedstawiono informacji o działaniach podjętych w celu uniknięcia wykorzystania identycznych fal nośnych. Dalsze rozważania na temat wpływu rosnącej liczebności nadajników na poprawność odbioru sygnału GNSS podjęto w punkcie perspektywy rozwoju Systemy wspomagania Systemy wspomagania wyznaczeń pozycji GNSS rozpoczęły swoją ewolucję od cywilnych sposobów obejścia stosowanego do 2 maja 2000 roku w GPS-Navstar mechanizmu Selektywnej Dostępności (ang. Selective Availability SA), polegającego na celowym wprowadzaniu zakłóceń efemeryd oraz zegara satelity do sygnału cywilnego C/A (ang. Coarse Acquisition zgrubnego pozyskania). Mimo, że decyzja Billa Clintona poprawiła odległość granicy rozkładu 95% wyznaczeń na 6,3m ze wcześniejszych 45m od średnich współrzędnych, rozwój systemów augmentacji nie zamarł, a wręcz przeciwnie stał się szansą na zastosowanie technik satelitarnych do celów nawigacji precyzyjnej. Podział obecnych rodzajów systemów udostępniających poprawki zegara satelitów, efemeryd, jonosferyczne oraz troposferyczne w czasie rzeczywistym przedstawia rysunek 12. Rysunek 12: Podział systemów wspomagania GNSS z przykładami

28 Jako nadrzędne kryterium podziału sieci wspomagania przyjęto zakres zastosowania przesyłanych przez nie poprawek. Wyróżniono przeznaczone do wsparcia różnicowego pomiarów opartych na przesunięciu w czasie kodu nadawanego sygnału oraz umożliwiające dokonywanie precyzyjnych pomiarów opartych na wyznaczeniu przesunięcia fali nośnej. W związku z różną architekturą pierwszych z wymienionych sieci, podzielono je następnie według sposobu przesyłania danych do użytkownika. Oba przypadki łączy część obserwacyjna stacje ciągłego pomiaru, śledzące satelity GNSS, i część zarządzająca, w której dokonywane są obliczenia poprawek. Sieci SBAS (ang. Satellite-Based Augmentation System) charakteryzuje udostępnianie informacji na znacznym obszarze za pomocą satelitów geostacjonarnych. Zamontowane na nich nadajniki służą również udostępnianiu sygnału GPS, zwiększając tym samym liczebność konstelacji na obszarze, nad którym są widoczne. Obecnie sieci te pracują głównie w średnich i wysokich szerokościach geograficznych, tj. na terytoriach USA i Kanady, Europy oraz Japonii. Zastosowanie bliżej równika stwarza problemy związane ze złożoną strukturą jonosfery w tej strefie, której wpływ ma zminimalizować dopiero wprowadzenie nowych, silniejszych sygnałów, m.in. GPS L5. Wśród satelitarnych systemów wspomagania wymieniono: WAAS (ang. Wide Area Augmentation Network) amerykański system Federalnej Administracji Lotnictwa składający się z 38 stacji referecyjnych WRS (ang. Wide-area Reference Station) przesyłających obserwacje do 3 centrów WMS (ang. Wide-area Master Station). Obliczone poprawki kierowane są celem dalszego udostępnienia do jednego z 3 satelitów: Inmarsat 4F3 (98ºW), Galaxy 15 (133ºW) oraz Anik F1R (107.3ºW). EGNOS (ang. European Geostationary Navigation Overlay Service) sieć Europejskiej Agencji Kosmicznej (ang. European Space Agency ESA), Komisji Europejskiej i EUROCONTROLu składająca się z 34 stacji pomiarów i monitorowania stabilności RIMS (ang. Ranging and Integrity Monitoring Station), 6 centrów transmisji NLES (ang. Navigation Land Earth Station) przekazujących poprawki satelitom, 4 obliczeniowych stacji kontrolnych MCC (ang. Mission Control Centre) i 2 stacji kontrolno-testowych w Torrejón (DVP ang. Development Verification Platform i ASQF ang. Application Specific Qualification Facility) oraz w Tuluzie (PACF ang. Performance Assessment and Check-out Facility). Udostępnianie poprawek odbywa się przez satelity: Artemis (21.5ºE), Inmarsat AOR-E (15.5ºW) i Inmarsat IOR-W (25ºE). System oferuje

29 serwisy, w tym Otwarty (ang. Open Service) ogólnodostępny od 2009 roku, Bezpieczeństwa Życia (ang. Safety of Life) od 2010 roku o certyfikowanej zgodności z regulacjami Jednolitej Europejskiej Przestrzeni Powietrznej (ang. Single European Sky) oraz komercyjny lądowy serwis EDAS (ang. EGNOS Data Access Service) umożliwiający dostęp do danych przez Internet. MSAS (ang. Multi-functional Satellite Augmentation System) odebrany do zastosowań w lotnictwie w 2007 roku japoński system wykorzystujący 2 satelity geostacjonarne: MTSAT-1R (140ºE) i MTSAT-2R (145ºE), QZSS (ang. Quasi-Zenith Satellite System) drugi japoński system wspomagania, kwalifikowany jednocześnie jako regionalny system GNSS. Wyróżnia go wykorzystanie 3 satelitów na orbitach nachylonych geosynchrocznicznych, co zapewni ciągłą widoczność przynajmniej jednego z nich przy znacznym zasłonięciu horyzontu, np. w warunkach wielkomiejskich. GAGAN (ang. GPS And Geo-Augmented Navigation) system realizowany przez Indyjski Zarząd Lotnisk (ang. Airport Authority of India) ze wsparciem Indyjskiej Organizacji Badań Kosmicznych (ang. Indian Space Reasearch Organisation ISRO). Sieć naziemna skłądać się będzie z ośmiu stacji referencyjnych zlokalizowanych w Delhi, Guwahati, Kalkucie, Ahmedabadzie, Bangalore, Jammu, Port Blair i Thiruvananthapuram oraz stacji kontrolnej w Bangalore. Sygnał do użytkowników przekazywany jest przez 4 satelity geostacjonarne: GSAT-8 (55ºE), GSAT-10 (83ºE) i GSAT-15 (planowany 93.5ºE). SDCM (ang. System for Differential Corrections and Monitoring) rosyjska sieć złożona z 19 krajowych i 5 zagranicznych stacji referencyjnych oraz centrum obliczeniowego w Moskwie wraz z centrum rezerwowym. Rozwijany jako część architektury GLONASS, system oprócz nadawania poprawek różnicowych satelitarnie ma umożliwiać dostęp GSM i internetowy przez serwery SISNet i NTRIP. Na założone pozostałe funkcje składają się monitorowanie stabilności konstelacji GLONASS i GPS oraz analiza aposteriori działania pierwszego z nich. Na segment kosmiczny systemu składać się mają 3 satelity geostacjonarne: Luch- 5A (167ºE), Luch-5B (15ºW) oraz Luch-5 (95ºE). Ostatni z satelitów ma być zastąpiony 5-tonowym modelem Enisey obsługującym sygnały L1, L3 oraz L5 i wystrzelony w latach

30 Starfire pierwszy globalny (GSBAS) i zarazem prywatny system wspomagania, początkowo wymagający od użytkownika posiadania relatywnie drogiego odbiornika samodzielnie obliczającego poprawki jonosferyczne dla miejsca pomiaru przez porównanie odbioru kodu P(Y) na częstotliwościach L1 i L2. Rozwiązanie to ograniczyło zagęszczenie stacji monitorujących, które wyznaczały jedynie poprawki efemeryd i błędu zegara satelitów niezależne od położenia obserwatora. Tym samym sieć naziemna złożona jest obecnie jedynie z 25 stacji, z których część jest wyłącznie rezerwowa, natomiast poprawki udostępniane są globalnie przez satelity geostacjonarne. Oferowane przez firmę Navcom razem z Deere & Co. odbiorniki początkowo służyły nawigacji maszyn rolniczych, oferta obecnie jest znacznie poszerzona. Wspólną wadą systemów SBAS opartych na wykorzystaniu satelitów geostacjonarnych jest niewielka widoczność źródła sygnału na wyższych szerokościach geograficznych. Mimo, że większość urządzeń satelitarnych wyposażona jest również w nadajniki GNSS, ich wkład w układ geometryczny obserwowanej konstelacji jest niewielki z racji położenia nawet 30º nad horyzontem i niżej w warunkach europejskich. Z uwagi na to ograniczenie w systemie EGNOS planuje się udostępnianie poprawek przez internetowy serwer SISNet. Aktualne rozmieszczenie sieci stacji i plany ich rozwoju przedstawiono na mapie poniżej: Rysunek 13: Obecne i planowane rozmieszczenie stacji sieci SBAS [na podstawie Walter T., Blanch J., Enge P., 2010] Na drugą z przyjętych kategorii systemów różnicowych wspomagających pomiary kodowe składają się naziemne sieci DGNSS, w których udostępnianie sygnału zachodzi

31 głównie drogą radiową. Należy zaznaczyć, że te same stacje referencyjne mogą przeprowadzać obserwacji służące wyznaczeniu zarówno poprawek DGPS przekazywanych satelitarnie oraz bezpośrednio radiowo, jak i poprawek dla pomiarów fazowych. Dokładność tego rozwiązania, rozumiana jako promień okręgu (2D) lub sfery (3D) o centrum w wartości średniej, w której mieści się 95% wyznaczeń portal ASG-EUPOS określa jako maksymalnie 3m dla serwisu NAWGIS oraz maksymalnie 0.25 m dla serwisu KODGIS. W najbardziej precyzyjnej konfiguracji techniką tą są osiągalne jednak dokładności rzędu 10 cm. Wśród amerykańskich sieci DGPS wyróżnić można Narodową NDGPS (ang. Nationwide DGPS), globalną GDGPS (ang. Global DGPS) oraz System Lokalnego Wspomagania LAAS (ang. Local Area Augmentation System) używany na lotnikach. Pierwsze dwa z wymienionych w przeciwieństwie do pozostałych, w tym opisanych już rozwiązań SBAS, nie zostały zaprojektowane do zastosowań lotniczych pod względem wymagań stabilności (ang. integrity). NDGPS zarządzany jest przez Straż Przybrzeżną Stanów Zjednoczonych (stacje przybrzeżne) oraz Departament Transportu (stacje lądowe). Zarządzanie siecią ponad 100 stacji GDPGS należy do zadań NASA, natomiast pojedyncze systemy LAAS obsługiwane są przez zarządy lotnisk, przy których się znajdują. Globalny DGPS tym samym służy spełnianiu wymagań dotyczących pozycjonowania, nawigacji i ustalenia czasu (ang. Positioning, Navigation and Timing PNT) misji amerykańskiej agencji kosmicznej. Systemy Lokalnego Wspomagania pozwalają natomiast wykorzystywać GPS przy obsłudze nawigacji lądowania i ruchu powietrznego, zastępując wiele funkcji bardziej kosztownych, dotychczasowych rozwiązań radiowych, np. ILS (ang. Instrument Landing System). W Wielkiej Brytanii za funkcjonowanie sieci nabrzeżnych nadajników poprawek DGPS oraz powiązanych z nimi monitorujących stacji referencyjnych odpowiada General Lighthouse Authority, czyli Główny Zarząd Latarni Morskich. Przykład tego przydziału odpowiedzialności został powielony w innych krajach także w Polsce gdzie stacjami zajmują się instytucje odpowiedzialne za oznakowanie nawigacyjne. Działanie DGPS-PL analogicznie koordynowane jest przez Wydział Oznakowania Nawigacyjnego Urzędu Morskiego w Gdyni. Na krajową sieć składają się dwie stacje referencyjne wraz z nadajnikami zlokalizowane w Rozewiu i Dziwnowie. W latach przeprowadzono ich modernizację, na którą składał się m.in. zakup nowych odbiorników i systemów antenowych. Funkcjonowanie stacji monitorowane jest przez sieć komputerową z Gdyni. Osprzęt na stacjach jest zdublowany i posiada zapasowe źródło zasilania, przez co praca systemu jest ciągła i bezawaryjna i spełnione są wymagania Międzynarodowego

32 Stowarzyszenia Służb Oznakowania Nawigacyjnego (ang. International Association of Lighthouse Authorities IALA). 16 listopada 2012 roku Urząd Morski w Gdyni ogłosił przetarg trwający do 7 stycznia 2013r. na rozbudowę sieci o stacji monitorujące parametry serwisu DGPS oraz udostępniające poprawki RTK w rejonie Świnoujścia oraz Portu Północnego. Inwestycja ta została szczegółowo opisana w punkcie niniejszego opracowania. Stacje udostępniające poprawki DGPS drogą radiową w sąsiedztwie Polski oznaczono na rysunku 14. Zauważyć można, że rozmieszczone są wyłącznie w strefie brzegowej. Pominięcie stacji referencyjnych, których obserwacje służą wyznaczeniu poprawek różnicowych do pomiarów kodowych, ale nie są przesyłane drogą radiową (np. w przypadku ASG-EUPOS) pozwala dowieść, że pierwsze z wymienionych rozwiązań jest użytkowane głównie przez użytkowników nawigacji morskiej. Stacje DGPS w Europie 10; 15% 14; 22% 41; 63% Testowane Działające Planowane Rysunek 14: Lokalizacja i stan operacyjny stacji DGPS w Europie według danych portalu Effective Solutions, dostęp: czerwiec Chińskie inwestycje również nie ograniczają się do rozwijania systemu GNSS. Równolegle podejmowane są prace przy RBN-DBDS (ang. Beidou Radio Beacon Differential Beidou Satellite System). Sieć różnicowa 9 maja 2014 roku przeszła 130 dniową fazę testów, umożliwiając wyznaczenie pozycji z wykorzystaniem samego systemu BDS na poziomie dokładności 1m. Potrzebne w tym celu poprawki przekazywane są na średnich falach radiowych, tj khz na obszar do 300 kilometrów kwadratowych na pojedynczą stację. Plany przewidują wyposażenie floty rybackiej Chin w odbiorniki dwusystemowe GPS-BDS

33 wspierane przez poprawki z nadajników naziemnych. Działania te są podejmowane m.in. w celu ograniczenia konfliktów o przekroczenie terenów połowowych i zwiększenia bezpieczeństwa użytkowników morskich w pobliżu wybrzeża Chin. Na uwagę zasługuje również technologia GPS asystowanego (ang. Assisted GPS - A- GPS) stosowana powszechnie w rozwiązaniach mobilnych. System ten nie podwyższa dokładności wyznaczeń, jednak umożliwia szybszy rozruch odbiornika. Wykorzystywany jest w tym celu sygnał pobliskich nadajników sieci GSM, dzięki któremu następuje pierwotne, zgrubne określenie pozycji odbiornika. Niski koszt i niewielkie rozmiary urządzeń pracujących w trybie A-GPS zdecydowały obecnie prawie wyłącznym ich stosowaniu w telefonach komórkowych, posiadających tak czy inaczej odbiornik GSM. Ponadto, A-GPS wykorzystuje do działania wyłącznie istniejącą już infrastrukturę sieci komórkowych, a jedyne zmiany zachodzą w odbiorniku i oprogramowaniu użytkownika. Druga z głównych grup systemów wspomagania GNSS, służąca pomiarom fazowym i dedykowana wyłącznie do nawigacji precyzyjnej i pomiarów wysokiej dokładności została szczegółowo omówiona w rozdziałach 1.2 i 1.3. Dodatkowo przytoczonym przykładem jest amerykańska sieć CORS (ang. Continuously Operating Reference Stations). W przeciwieństwie do krajowych odpowiedników, skupia ona około 1900 stacji referencyjnych utrzymywanych przez ponad 200 instytucji. Organizacja zajmuje się więc wyłącznie przetwarzaniem i udostępnianiem danych oraz opracowywaniem analiz. W związku z nieobsługiwaniem przez samą instytucję stacji nadajników, przekazywanie poprawek użytkownikom odbywa się wyłącznie przez Internet. Podsumowując, wykorzystanie odmiennych środków przekazu udostępnianych poprawek różnicowych znajduje odzwierciedlenie w zastosowaniu systemów wspomagania GNSS w różnych typach nawigacji. Zjawisko to wynika ze zróżnicowanych wymogów, skupionych na stabilności działania w przestrzeni podwyższonych wymagań w przypadku lotnictwa, a w przypadku nawigacji morskiej na dostępności na rozległych obszarach morskich. Wniosek ten skłania do dalszego przeanalizowania koniecznych parametrów użytkowych satelitarnych systemów nawigacyjnych, na czym skupia się 2 część niniejszej pracy. Z drugiej strony, pozytywne analizy zasadności ekonomicznej towarzyszące przywołanym działaniom rozwojowym podejmowanym w tej dziedzinie na całym świecie są argumentem za szczegółowym opisaniem tematu

34 Ocena dokładności pozycji rozwiązań fazowych GPS i GPS/GLONASS Perspektywy rozwoju Podjęcie wzmożonych inicjatyw modernizacji i rozwoju systemów GNSS i je wspomagających rozpoczęte w pierwszej dekadzie XXI w. przez każdą z sieci z osobna opisywane było z perspektywy oczywistych korzyści dla użytkowników, wynikających m.in. z większej dostępności sygnałów. Opracowanie pierwszych odbiorników wielosystemowych umożliwiło jednak badaczom zaobserwowanie trudności wynikających i nasilających się wraz z zagęszczaniem konstelacji satelitów prognoza GPS GLONASS Galileo BDS Rysunek 15: Liczba satelitów GNSS według systemu w latach Rysunek 15 przedstawia liczbę nadajników nawigacji satelitarnej w latach , przy czym dla okresów przewidywanych i o niedostępnych informacjach pominięto etykiety danych. Zauważyć można, że dynamiczny wzrost liczby satelitów GNSS po roku 2006 związany jest z równoczesnym przywróceniem operacyjności systemu GLONASS oraz rozbudową BDS. Prawdopodobnym do spełnienia wydaje się oświadczenie budowniczych BeiDou o dysponowaniu pełną konstelacją 35 satelitów w roku 2020, który to termin w maju 2014 przeniesiono na rok Niewiadomą pozostaje planowe osiągnięcie FOC przez Galileo z początkiem drugiej dekady XXI wieku oznaczałoby bowiem znaczne przyspieszenie prac, dotrzymanie harmonogramu obecnie wymaga bowiem wynoszenia na orbitę z sukcesem 4 do 5 satelitów rocznie

35 Poza opisaną w punkcie kwestią nakładania się ograniczonego pasma sygnałów nośnych różnych systemów zauważono zjawisko ich interferencji, zwiększającej szum utrudniający pracę odbiornika. Doświadczenia z symulacją odbioru wielosystemowego ponadto pozwoliły określić zależność tego zjawiska oraz uzyskiwanej dokładności od liczebności nadających satelitów GNSS i liczby konstelacji. Zestawienie obu zmian zawyrokowało na niekorzyść zwiększania liczby nadajników przy założeniu niepodejmowania działań zaradczych. Zgodnie z rysunkiem 16 stwierdzono, że przy dobraniu skali umożliwiającej porównanie interferencja na odbiorniku modulacji MBOC (ang. Multiplexed Binary Offset Carrier) wzrasta proporcjonalnie do liczby nadajników, natomiast polepszenie współczynnika geometrycznego obserwowanego układu satelitów DOP (ang. Dilution of Precision) jest ze wzrostem liczebności nadajników coraz mniej zauważalne. Rysunek 16: Symulowana zależność interferencji od liczby nadajników satelitarnych GNSS [Hein. G.W., 2010] Ponadto, czerwonym obszarem zaznaczono przybliżoną liczbę satelitów przy których jednoczesnym nadawaniu wartość powstałej interferencji przewyższy naturalnie występujący szum tła. Zaznaczyć należy, że symulacja bierze pod uwagę jedynie urządzenia kosmiczne GNSS operacyjne nadające sygnał. Zakładając, że około 1 satelita na 30 w konstelacji nie pracuje zgodnie z przeznaczeniem i nie ma wpływu na powstające zakłócenia, próg ten podwyższono na wykresie 17 do liczby 80 nadajników

36 Łączna interferencja [db/hz] Ocena dokładności pozycji rozwiązań fazowych GPS i GPS/GLONASS prognoza GPS GPS+GLONASS GNSS razem Rysunek 17: Liczba satelitów GNSS ogółem w latach Zgodnie z powyższym zestawieniem wykonanym na podstawie danych wykresu 15 stwierdzić można, że w latach nastąpi po raz pierwszy odbiór zakłóceń silniejszych od naturalnych, natomiast w roku 2020 równowartość interferencji sygnałów GNSS osiągnie ok db Hz ponad trzykrotny wzrost.. W przybliżeniu jest to o 2 db Hz więcej, co oznacza przy skali logarytmicznej -200 Widmowa gęstość mocy zagregowanej interferencji poziom szumu tła N0 wg. wykresu Liczba konstelacji maksimum z maksymalnej interferencji łącznej maksimum ze średniej interferencji łącznej Rysunek 18: Zależność interferencji sygnału MBOC od liczby konstelacji satelitów GNSS [Paonni M., 2010]

37 Podobne wyniki symulacji znaleźć można względem liczby konstelacji GNSS. Na wykresie 18 rozróżniono dodatkowo dwa występujące rodzaje interferencji: wynikającą z zmieszania sygnałów tego samego systemu, np. C/A oraz P dla GPS, oraz zakłócenia będące skutkiem nałożenia fal nadawanych przez różne systemy. Z obu tych wartości wyciągnięto średnią oraz maksimum i przedstawiono na skali logarytmicznej. Zauważyć można, że poziom tła N0 określony na wykresie 16 jako ok db Hz zostaje przekroczony według drugiego z opracowań już przy 2 konstelacjach, czyli dla około 20 satelitów operacyjnych mniej. Warto nadmienić, że wyniki te uzyskano dla interoperacyjnie modulowanych sygnałów MBOC, będących złożeniem modulacji BOC (ang. Binary Offset Carrier), która powstaje z kwadratu nałożenia sygnału nośnego na najprostszą formę kluczowania fazy (ang. Phase Shift Keying PSK), czyli binarną BPSK (ang. Binary PSK) [Krywanis M.]. Przedstawiony rezultat zakłada już zatem współpracę systemów polegającą na zastosowaniu sygnałów o wzajemnie rozłącznych parametrach. Polepszenie współczynnika DOP w badaniu z każdą dodaną do symulacji konstelacją zachodziło o: 33%, 22%, 15% oraz 11% - dla dodania piątego układu satelitów [Paonni M., 2010] Stan obecny jako poziom odniesienia Mimo przedstawionych wcześniej wyzwań dla systemów globalnych, których kompatybilność jest warunkiem poprawnego działania, należy zauważyć zwiększenie działań rozwojowych i modernizacyjnych wynikających ze zwiększenia konkurencji. Wymiernym wskaźnikiem tego zjawiska będzie polepszenie parametrów użytkowych udostępnianych serwisów. W celu ustanowienia poziomu odniesienia konieczne jest posłużenie się jednoznacznie zdefiniowanymi i porównywalnymi parametrami użytkowymi systemów GNSS. Tym samym, w tabeli 4 zestawiono obecnie dostępne wartości takie, jak: 1. Dokładność (ang. accuracy), opisywaną przez 4 wskaźniki, będące maksymalnymi dopuszczalnymi wartościami osiąganymi przez 95% wyznaczeń, tj. rozkład o szerokości 2 odchyleń standardowych wokół średniej: URE (ang. User Range Error) błąd pomiaru odległości użytkownika, czyli dokładność danych pseudoodległości, URRE (ang. User Range Rate Error) błąd pomiaru prędkości użytkownika, czyli pochodna URE po czasie,

38 URAE (ang. User Range Acceleration Error) błąd pomiaru przyspieszenia użytkownika, czyli druga pochodna URE po czasie, UTCOE (ang. UTC Offset Error) błąd odchylenia od czasu UTC. 2. Stabilność (ang. integrity), określaną przez maksymalne prawdopodobieństwo przekroczenia wartości określonych w punkcie 1 powiększonych o współczynnik tolerancji NTE=4.42 w ciągu godziny bez wcześniejszego alarmu. 3. Dostępność satelitów (ang. satellite per-slot availability), rozumianą jako średnie prawdopodobieństwo, że dany slot konstelacji orbitalnej zajęty jest w danym momencie przez działającego satelitę. 4. Dostępność PDOP (ang. PDOP availability), zdefiniowaną jako prawdopodobieństwo uzyskania w dowolnym miejscu obszaru działania serwisu i dowolnym czasie współczynnika geometrycznego pozycji niższego lub równego podanemu. 5. Ciągłość (ang. continuity), pojętą jako prawdopodobieństwo nieutracania dostępności serwisu otwartego (OS) przez godzinę z powodu niezapowiedzianej przerwy działania. 6. Dokładność wyznaczeń serwisu otwartego (ang. OS accuracy), będącą różnicą danych uzyskanych z systemu, a ich rzeczywistych wartości. Na oceniane parametry składają się: pozycja horyzontalna i wertykalna, prędkość w przypadku BeiDou oraz wskazywany czas. Oficjalne Standardy Działania (ang. Performance Standard), wyznaczające powyższe wielkości opublikowane zostały jedynie dla GPS-Navstar oraz BDS. Dokumenty te są w przygotowaniu dla GLONASS i Galileo. Dla drugiego z systemów przyjęto jako nominalne wartości podawane przez Europejską Agencję Kosmiczną w ramach prowadzonego przez nią portalu Navipedia

39 Tabela 4: Wartości parametrów użytkowych systemów GNSS nominalnych oraz obserwowanych lub symulowanych (podano w nawiasach). [GPS SPS Performance Analysis Report, 2014; GLONASS ICD 5.1, 2008; Ventura- Traveset J., 2013; BeiDou OS Performance Standard, 2013]. System GPS-Navstar GLONASS Galileo BDS Parametr Brak standardu użytkowego MEO IGSO GEO URE 7.8 m*(2.8 m) (4.0 m) (4.0 m) 2.5m URRE 6.0 mm s (3.7 mm s ) mm s URAE 3.0 mm 2 s (0.03 mm 2 s ) mm 2 s UTCOE 40 ns --- (6 ns) 2 ns Stabilność (ang. integrity) dla URE i UTCOE Dostępność satelitów Dostępność PDOP<6 m 95.7 % (100 %) (99.9%) 99.8% 98 % 98 % 91 % 98 % (100 %) (99 %) 99 % 98 % Ciągłość h % h % h % h % Dokładność pozycji 9.0 m (2.2 m) (2.3 m) 4.0 m (7.2 m) 10.0 m horyzontalnej OS Dokładność pozycji 15.0 m (6.3 m) m (11.8 m) 10.0 m wertykalnej OS Dokładność prędkości OS m s Dokładność czasu 40 ns (18 ns) (20 ns) 30 ns 50 ns Wartość URE dla GPS-Navstar została wyznaczona dla najgorszego satelity w konstelacji, co odpowiada 4.0 m błędu uśrednionego. Szczegółowe uwarunkowania każdego z czynników znaleźć można w przytoczonych aktach normalizujących. Warunki wyznaczenia parametrów nowych systemów są wzorowane na Standardzie Działania SPS GPS i przeważnie z nim zgodne. Znaczne różnice w przywołanych wartościach nominalnych wynikają z różnego czasu aktualizacji najnowszych dokumentów źródłowych. By zapewnić porównywalność danych w nawiasach dodano parametry zaobserwowane lub symulowane

40 Ostatnim czynnikiem mającym wpływ na użytkowanie odbiornika wielosystemowego jest odmienna organizacja udostępnianych informacji. Pomijając kwestie techniczne dotyczące dekodowania sygnału przez odbiornik, rezultatem jest czas i pozycja odniesiona do różnych przyjmowanych układów odniesień. Wykorzystanie ich do uzyskania pojedynczego rozwiązania wymaga więc redukcji danych do jednego poziomu. Ponadto, charakterystyki przytoczone w tabeli 4 różnią się w zależności od użytkowanych serwisów. Wraz z osiągnięciem pełnych możliwości operacyjnych przez Galileo po raz pierwszy użytkownikom nieautoryzowanym zaprezentowany zostanie wybór trybu wykorzystania GNSS inny niż standardowy lub otwarty. Tabela 5: Zestawienie elementów regulujących użytkowanie informacji udostępnianych przez segmenty kosmiczne GNSS [Chen H.C., Huang Y. Sh., Chiang K. W., Yang M., Rau R. J., 2009]. System Wyszczególnienie Kodowanie satelitów System czasu GPS-Navstar GLONASS Galileo BDS CDMA GPST (czas GPS) FDMA (wprowadzane CDMA) UTC SU (ang. Soviet Union) CDMA GST CDMA UTC Chiny Układ odniesienia WGS-84 PZ-90 GTRF Beijing 1954 Serwisy 1. SPS Standardowy Serwis Pozycyjny, 2. PPS Precyzyjny Serwis Pozycyjny (autoryzowany) 1. SP Standardowej Precyzji, 2. HP Wysokiej Precyzji (udostępniony kod o możliwości nieuzgadnianej zmiany) 1. OS Serwis Otwarty, 2. SoL Serwis Ochrony Życia, 3. CS Serwis Komercyjny, 4. PRS Serwis Regulowany Publicznie (autoryzowany), 5. SAR Serwis Poszukiwania i Ratunku 1. OS Serwis Otwarty, 2. RS Serwis Autoryzowany Dodać należy, że ujawnioną niedawno funkcją BeiDou będzie obsługiwanie informacji zwrotnych opartych na satelitarnym serwisie sms. Planowany koszt wysłania pojedynczej

41 wiadomości na rynku chińskim ma wynosić poniżej 1 yuana, tj. mniej niż 16 centów amerykańskich. Podsumowując sytuację obecną należy odnieść się do czynnika, na który rozbudowa rozwiązań wielosystemowych będzie miała największy wpływ, mianowicie widoczności możliwych do wykorzystania satelitów. Element ten, mający krytyczny wpływ na układ geometryczny obserwowanej części konstelacji dla zastosowań w pobliżu wysokich przesłon, został zaprezentowany dla przykładowej lokalizacji w Gdyni. Rysunek 19: Symulowana widoczność satelitów dnia 1 czerwca 2014r. w Gdyni według danych TLE z portalu CelesTrack

42 1.2. System ASG- EUPOS Precyzyjne pomiary fazowe Grupą systemów wspomagania pominiętą w ostatnim dziele, a zasługującą na bardziej szczegółowe opisanie, są sieci geodezyjnych stacji referencyjnych, umożliwiające dokonywanie precyzyjnych pomiarów fazowych. Są one szczególnie ważne dla nawigacji precyzyjnej z uwagi na osiągane dokładności pomiaru sięgające dla 95% wyznaczeń 3 cm dla pomiarów kinematycznych czasu rzeczywistego (ang. Real Time Kinematic RTK) oraz 1 cm dla pomiarów postprocessingowych. Z dwóch wymienionych rodzajów pomiarów fazowych większe znaczenie dla zastosowań nawigacyjnych ma technika RTK, cechująca się ciągłym dostępem użytkownika do skorygowanej informacji o swoim położeniu. Postprocessing cechuje się uzyskaniem precyzyjnego rozwiązania fazowego przy wgraniu poprawek następującym po sesji pomiarowej. Z tego względu użytkownik na bieżąco stwierdzić może określić swoją pozycję jedynie z dokładnością odpowiadającą nieskorygowanym obserwacjom GNSS, opisaną wcześniej w tabeli 4. Precyzyjne pomiary GNSS odbywają się w odróżnieniu od swoich kodowych odpowiedników przez pomiar przesunięcia fazy sygnału nośnego. Ich teoretyczna dokładność wyznaczenia pseudoodległości między nadajnikiem oraz odbiornikiem z pominięciem zakłóceń propagacji wynosi 1% długości fali. Tą teoretyczną wartość można więc określić według wzoru: c d 1% 1%, (1.1) f stąd dla poszczególnych częstotliwości wykorzystywanych przez systemy satelitarnego pozycjonowania będzie osiągała wartości: Tabela 6: Zestawienie możliwych dokładności pomiaru przesunięcia fazy sygnałów GNSS. Częstotliwość [MHz] Oznaczenie w systemie Navstar GPS GLONASS Galileo BDS Nominalna dokładność [mm] L5 L5OC E5a B2a L3OC E5b B2I, B2Q, B2b L2C FDMA L2OC

43 B3I, B3Q, B3, B3a E B2II L1C L1OCI E1 B1I, B1Q L1OC FDMA Zauważyć tym samym można, że również długość mierzonej fali jest znacznie krótsza od odpowiadającego jej cyklu przesyłania kodu. Wartości te wynoszą odpowiednio od 25.5 cm do 18.7 cm dla pomiarów fazowych oraz od m do m dla kodowych, czyli stukrotności nominalnych dokładności przedstawionych w tabelach 6 i 7. Tabela 7: Zestawienie możliwych dokładności pomiaru przesunięcia kodu sygnałów GNSS. Częstotliwość [MHz] Oznaczenie w systemie Navstar GPS GLONASS Galileo BDS Nominalna L1 C/A, L2 C/A C/A, L1C E1 OS L3Q (BPSK(2)) B1I, B2 (BPSK(2)) E1 PRS L3I (BPSK(4)), L3Q (BPSK(4)) M L1 P, L2 P E6 CS, E6 PRS L3I (BPSK(8)) P, P(Y) E5a, E5b B2 (BPSK(10)), B3 dokładność [m] Przedstawiona różnica wielkości odbieranej sekwencji skutkuje w pomiarach fazowych wystąpieniem zjawiska tak zwanej nieoznaczoności pomiaru fazy (ang. carrier phase ambiguity). Wartość ta, oznaczana N0 (t) jest równa liczbie skończonych cykli fazowych między nadajnikiem a odbiornikiem w momencie pierwszego pomiaru. Zarówno w systemach GNSS, jak i innych radionawigacyjnych, jak m.in. Loran C, AD-2 i Decca, dopiero usunięcie tej niewiadomej umożliwia uniknięcie pomyłki przy wyznaczaniu początkowego pasa pozycyjnego [Specht C., 2007]

44 Rysunek 20: Zależność liczby pomierzonych pełnych cykli fazowych od czasu [Specht C., 2007]. Zgodnie z powyższym opisem sformułować można fazowe równanie obserwacyjne, przedstawiające składowe wyznaczonej pseudoodległości i jej relację względem odległości geometrycznej nadajnik odbiornik: gdzie: i 1 i i i i X ( t0 ) RX ( t0 ) N X f S ( t0 ) f X ( t0 ), (1.2) t ) - pomierzona pseudoodległość do i-tego satelity w punkcie X i momencie t0, i X ( 0 - znana długość fali nośnej sygnału GNSS, f - częstotliwość porównawcza wyznaczana zgodnie z rysunkiem 20, R i X ( t 0 ) - szukana odległość geometryczna między i-tym satelitą a punktem X w momencie t 0,

45 i N X - nieoznaczona liczba pełnych cykli fazowych między i-tym satelitą a punktem X stała w czasie dla danej ciągłej sesji pomiarowej, i S ( t 0 ) - nieznany błąd zegara i-tego satelity w momencie t0, identyczny dla nieodległych punktów i wykorzystania tej samej depeszy nawigacyjnej, i X ( t 0 ) - nieznany błąd zegara odbiornika w punkcie X i momencie t0. W celu znalezienia odległości geometrycznej należy zatem określić wartości 3 pozostałych zmiennych, co odbywa się przez zastosowanie techniki zwanej potrójną różnicą odległości. Pomiar jest dokonywany wielokrotnie w 3 krokach: 1. Jednoczesnym wyznaczeniu pseudoodległości w momencie t0 między danym satelitą I a odbiornikami w punktach X i Y, pełniących odpowiednio funkcję rovera (ruchomą) oraz bazy (referencyjną). Dzięki wykorzystaniu tej samej depeszy nawigacyjnej możliwa jest eliminacja błędu zegara satelity I S ( t 0 ) przyjmującego identyczną, stałą wartość w obu równaniach I X ( t 0 ) i I Y ( t 0 ). 2. Dołączeniu jednoczesnego wyznaczenia w momencie t0 pseudoodległości do drugiego I J satelity J, dokonywanego analogicznie jak w kroku 1. Równania t ) i t ) X ( 0 X ( 0 I J oraz t ) i t ) będą cechować się równymi składowymi błędu zegara Y ( 0 Y ( 0 i i odbiornika t ) dla punktu X oraz t ) dla punktu Y, umożliwiając dalszą redukcję. X ( 0 Y ( 0 3. Kontynuowaniu przez ponowne wyznaczenia według kroków 1 i 2 w momencie t1 bez przerywania obserwacji satelitów. Równanie zostaje tym samym skrócone o wartości I N X, J N X, I N Y, J NY na skutek wcześniejszych przekształceń wyrażone jako: I J N, X, Y N co pozwala przedstawić równanie 1.2 w postaci: 1 t0, t1) I X N N N, (1.3) I Y I I J J I I J J R ( t ) R ( t ) R ( t ) R ( t ) R ( t ) R ( t ) R ( t ) R ( ) J X J Y, I, J X, Y ( X 0 Y 0 X 0 Y 0 X 1 Y 1 X 1 Y t1 I, J gdzie t, ) jest potrójną różnicą pseudoodległości, rozumianą jako : X, Y ( 0 t1 I I J J I I J J ( t ) ( t ) ( t ) ( t ) ( t ) ( t ) ( t ) ( ) (1.4) I, J t, t ). (1.5) X, Y ( 0 1 X 0 Y 0 X 0 Y 0 X 1 Y 1 X 1 Y t1-45 -

46 Rysunek 21: Procedura uzyskiwania potrójnej różnicy odległości w pomiarach fazowych. Oprócz wymogu usunięcia nieoznaczoności z równania pomiarowego techniki fazowe wymagają również demodulacji odbieranego sygnału zawierającego informację binarną w celu przeprowadzenia porównania z kopią symulowaną przez odbiornik. Odbywa się to przez kwadratowanie, czyli powielenie sygnału i zmieszanie go z samym sobą. Rezultat pozbawiony jest danych, ma natomiast podwojoną częstotliwość [Specht C., 2007]

47 Rysunek 22: Ogólny schemat wstępnego przetworzenia sygnału satelitarnego do celów pomiarów fazowych. Podsumowując, techniki fazowe mimo znacznie lepszej dokładności wyznaczania pseudoodległości cechuje podobna wrażliwość na błędy pomiarowe jak przy pomiarach kodowych, a ponadto niezbędne jest spełnienie warunków umożliwiających redukcję nieoznaczoności. Równanie pomiarowe pseudoodległości uwzględniające pozostałe czynniki zakłócające wynik przedstawiono poniżej: gdzie: T i i i i R ( t ) T I f ( t ) ( t ) N, 1 t 0 ) X 0 X 0 S X (1.6) i X ( 0 - niedyspersyjne, tj. niezależne od częstotliwości opóźnienie sygnału wynikające z propagacji w troposferze redukowane z wykorzystaniem poprawek, I - dyspersyjne, tj. zależne od częstotliwości opóźnienie sygnału wynikające z propagacji w jonosferze redukowane z wykorzystaniem poprawek lub pomiaru dwuczęstotliwościowego, - szumy i zakłócenia wynikające m.in. z wielodrogowości, tj. odbioru sygnałów odbitych od otoczenia. Znaczny wpływ czynników niezależnych od dokładności wyznaczenia pseudoodległości, a możliwych do zredukowania przez systemy wspomagające pomiar skłania do zapewnienia dostępności wspomagającej infrastruktury. Nadmienić należy, że użyteczność otrzymywanych poprawek zależy od odległości od odbiornika referencyjnego, która dla optymalnego działania rovera z niezbędnym radiomodemem wynosi 30 km. Obecne, zmodernizowane stacje zapewniają użyteczność przesyłanych informacji w promieniu do ok. 50 km. Pierwszą zrealizowaną ogólnopolską siecią była Aktywna Sieć Geodezyjna, omówiona wraz z obecnie konkurującymi systemami w następnym dziale

48 Realizacja Aktywnej Sieci Geodezyjnej Metody pomiaru i dostępne serwisy ASG-EUPOS, czyli Polski komponent Europejskiego Systemu Determinacji Pozycji EUPOS (ang. European Position Determination System) zrealizowany w 2008 roku obecnie pozwala na dokonywanie precyzyjnych pomiarów fazowych na większości terytorium kraju. Jednostkę zarządzającą siecią stanowi Główny Urząd Geodezji i Kartografii, natomiast infrastruktura mieści się obecnie w 101 instytucjach naukowo-badawczych oraz ośrodkach dokumentacji geodezyjnej. Punkty, na których mieszczą się odbiorniki referencyjne są uznawane za część szczegółowej wysokościowej osnowy geodezyjnej oraz osnowy podstawowej poziomej w rozumieniu ustawy z dnia 17 maja 1989r. Prawo geodezyjne i kartograficzne (Dz. U. z 2000r. nr 100 poz.1086 z późn. zm.). Prawnie możliwe jest dzięki temu wytyczanie oraz pomiar osnowy technikami satelitarnymi z wykorzystaniem udostępnianych poprawek. Dzięki włączeniu w międzynarodową strukturę obliczenia w systemie dokonywane są również na podstawie danych z 23 sąsiednich stacji zagranicznych, z czego 7 czeskich, 7 niemieckich, 3 litewskich i 6 słowackich. Tabela 8: Zestawienie serwisów oferowanych w ramach ASG-EUPOS [Mindowicz M., 2012]. Serwis Metoda Rodzaj NAWGEO KODGIS NAWGIS kinematyczna RTK kinematyczna DGPS Serwisy czasu rzeczywistego transmisji GSM/ DGPS/ EDGE/ UMTS/ Internet GSM/ DGPS/ EDGE/ UMTS/ Internet GSM/ DGPS/ EDGE/ UMTS/ Internet/ FM (opcja) Format Dokładność Wymagania RTCM SC-104, wersja 2.3 i 3.1, CMRx RTCM SC-104, wersja 2.1 RTCM SC-104, wersja 2.1 Hz: 0,03m V: 0,05m maks. 0,25m od 1 do 3m sprzętowe odbiornik RTK dwuczęstotliwościowy L1/L2, moduł komunikacyjny odbiornik DGPS L1, moduł komunikacyjny

49 Serwisy trybu postprocessingu Serwis Metoda Rodzaj transmisji Format Dokładność Wymagania sprzętowe POZGEO POZGEO D postprocessing; statyczny postprocessing; statyczny lub kinematyczny Internet /nośnik danych RINEX Hz: 0,01m V: 0,03m (zależny od warunków do 0,10m) odbiornik jednolub dwuczęstotliwościowy (L1 lub L1/L2) Spośród 5 typów oferowanych przez ASG serwisów poprawek na uwagę pod względem treści niniejszego opracowania przede wszystkim zasługuje NAWGEO, przeznaczony nie tylko z nazwy do zastosowań w geodezji i nawigacji precyzyjnej. Pod warunkiem spełnienia wcześniej opisanych wymagań technik fazowych m.in. ciągłości pomiaru możliwe jest osiągnięcie dokładności rzędu 3 cm w poziomie oraz 5 cm w pionie. Zaznaczyć należy, że znacznym ograniczeniem jest uzależnienie utrzymywania satelitarnego rozwiązania precyzyjnego od ciągłości połączenia z Internetem. Oznacza to zazwyczaj konieczność pozostania wraz z radiomodemem w zasięgu sieci operatora GSM. Do celów nawigacyjnych z powyżej wymienionych można pominąć opcje postprocessingowe, umożliwiające uzyskanie dokładnych wyznaczeń dopiero przy wprowadzeniu poprawek po zakończeniu sesji pomiarowej. Tym samym z wykorzystaniem serwisów POZGEO i POZGEO D analizowane mogą być jedynie archiwalne zapisy tras z odbiorników. Pozostałe usługi KODGIS oraz NAWGIS przeznaczone są dla użytkowników korzystających z pomiarów kodowych DGNSS. W szczególności druga z wymienionych przewidziana jest dla nawigacji w obszarach odległych od stacji referencyjnych i przekaźników telefonii komórkowej i mając ten fakt na uwadze założono możliwość przesyłania informacji drogą radiową na falach ultrakrótkich z modulacją częstotliwości (FM). Uzyskiwany poziom dokładności odpowiada jednak technikom DGPS, będąc równym od ok. 1 do 3m. Poza dostosowaniem konfiguracji w celu korzystania z danej usługi sieci stacji referencyjnych na parametry użytkowe wpływa wybór typu i sposobu wyznaczenia poprawek. ASG sieciowo, czyli z wykorzystaniem danych wszystkich okolicznych stacji wyznacza ich 3 powierzchniowe rodzaje, znane pod obcojęzycznymi skrótowcami: VRS, FKP oraz MAC. W pierwszej z nich, technice wirtualnej stacji referencyjnej (ang. VRS Virtual Reference

50 Station) poprawki wyznaczane z pobliskich stacji są interpolowane w celu wyznaczenia wirtualnego, bliskiego punktu odniesienia. Następnie do odbiornika przekazywane są korekty obliczone dla utworzonej pojedynczej stacji. Minimalizowane są dzięki temu błędy wynikające z odległości do stacji referencyjnej. Tym samym jednak jest to metoda zindywidualizowana, czyli wymagająca obliczeń dla konkretnego użytkownika. Jej użytkowanie wiąże się więc z obciążeniem centrum obliczeniowego oraz łącza, dokonującego obustronnego przesyłania danych. Informacje za pomocą radiomodemu uzyskiwane są protokołem NTRIP (ang. Networked Transport of RTCM via Internet Protocol Sieciowe Przesyłanie RTCM przez Protokół Internetowy) w formacie RTCM (ang. Radio Technical Commission for Maritime) lub CRM (ang. Compact Measurement Record Kompaktowy Zapis Pomiaru) natomiast przybliżone współrzędne użytkownika wysyłane są w formacie NMEA GGA (ang. National Maritime Electrocics Association). Ponadto, tworzenie pojedynczej stacji referencyjnej i kontrolowanie rozwiązania RTK przez serwer ogranicza liczbę danych otrzymywanych przez odbiornik. W przypadku widoczności satelitów nisko nad horyzontem niemożliwe może się okazać uzyskanie rozwiązania fazowego z uwagi na niedostępność korekt dla ich sygnałów. Algorytmy wykorzystywane do generowania poprawek VRS nie są publikowane, stąd też metoda ta zaliczania jest do niestandaryzowanych. VRS, stworzone przez Terrasat jest obecnie nazwą zastrzeżoną przez firmę Trimble Navigation. Poprawki FKP (niem. Flächenkorrekturparameter Powierzchniowe parametry korekcyjne) zawierają informację o wyznaczonym rozkładzie poprawek interpolowanych między stacjami sieci. Wyróżnia je przesyłanie parametrów powierzchniowego modelu dla danego satelity i obszaru zawierającego przybliżoną pozycję odbiornika. Przyjmowanie w tej metodzie jednorodnego rozkładu zmiennych między stacjami umożliwia jej stosowanie jedynie w mało rozproszonych sieciach, gdzie występowanie lokalnych, nieuwzględnianych anomalii pogodowych i atmosferycznych będzie ograniczone. Założeniem realizatorów ASG-EUPOS było rozmieszczenie stacji w odległości ok. 70 km od siebie lub krótszej, co kwalifikuje sieć jako relatywnie średnio rozproszoną. W lipcu 2011 roku zrezygnowano z udostępniania poprawek FKP z uwagi na niskie zainteresowanie. Trzecią z opcji jest otrzymywanie korekt MAC lub MAX (ang. Master Auxiliary Concept Koncepcja Nadrzędno-Pomocnicza). Zgodnie z rozwinięciem nazwy, poprawki te są wyznaczane dzieląc stacje bliskie użytkownikowi na nadrzędną (ang. master) oraz pomocnicze (ang. auxiliary). Z pierwszej z wymienionych wysyłane są obserwacje, natomiast informacje ze stacji podrzędnych służą wyznaczeniu pochodnych różnic względem współrzędnych stacji głównej. Część obliczeń, w tym interpolacja korekt do pozycji przybliżonej wykonywana jest

51 przez odbiornik. Technologia ta została zaproponowana przez firmy Leica oraz Geo++ w roku 2001 i jest znana również pod nazwą Net (poprawki sieciowej). Jako jedyna jest standaryzowana, ponieważ upublicznienie używanych algorytmów nastąpiło na skutek oficjalnego włączenia do standardu RTCM 3.1. W przeciwieństwie do VRS możliwe jest w tym przypadku prześledzenie linii bazowej łączącej odbiornik i staję referencyjną, która znajduje się na realnym punkcie. Tym samym zagwarantowana jest powtarzalność pomiaru. Korekty MAC przenoszą również kontrolę rozwiązania i obliczenia na urządzenie użytkownika, udostępniając jedynie niezbędne zmienne równań. Dzięki temu w trudnych warunkach możliwe jest uzyskanie wyznaczenia w oparciu o linie bazowe do innych, pomocniczych stacji i dostosowanie metody obliczeń do lokalnej sytuacji. Ponadto, oferowane są poprawki o nazwie i-max współpracujące ze starszymi modelami odbiorników i oprogramowania. Metoda ich uzyskiwania zbliżona jest do MAC, nie są jednak standaryzowane, a rozwiązanie sieciowe kontrolowane jest w ich przypadku tak jak w VRS przez serwer centrum obliczeniowego. Dostawca korekt, czyli ASG-EUPOS zapewnia o bardzo podobnej jakości danych uzyskiwanych różnymi metodami z racji na zastosowanie tego samego oprogramowania i zestawu danych w każdym przypadku. Pozostałe informacje, podawane przez m.in. firmę Leica, twórcę poprawek i-max i MAX, mogą być przedstawione w formie poniższego zestawienia: Tabela 9: Porównanie rodzajów korekt sieciowych dostępnych w sieci ASG-EUPOS. Wyszczególnienie FKP VRS i-max MAC (MAX) Indywidualizacja Kontrola rozwiązania Standaryzacja Wykorzystanie wszystkich danych satelitarnych Jest korekty w odniesieniu do stacji Brak wysyłane bazowej parametry modelu wirtualnej rzeczywistej powierzchniowego lokalnej najbliższej Serwer Brak Możliwość pominięcia (zależne od możliwości obliczeniowych i dostępności danych serwera) Jest dla określenia stacji głównej której obserwacje są przesyłane Urządzenie użytkownika RTCM 3.1. (S.C 104) Optymalizacja wykorzystania wszystkich przez oprogramowanie odbiornika

52 Spójność danych w czasie Możliwość odtworzenia i powtarzalność pomiaru Brak informacji Brak linia Brak bazowa do stacji wirtualnej Ciągła aktualizacja z uwzględnieniem pozycji użytkownika Jest linie bazowe względem rzeczywistej stacji Minimalizacja błędów zależnych od odległości Dostępność w ASG-EUPOS w formatach Przez interpolację korekt w modelu Brak, wycofano w lipcu 2011 r. Jest Przez utworzenie Przez dołączenie Przez dowolny wirtualnej stacji pochodnych algorytm na podstawie obserwacji stacji użytkownika danych z sieci głównej z sieci RTCM 2.3, RTCM 3.1, Brak RTCM 3.1 CMR Dalszy rozwój Obecny rozwój Aktywnej Sieci Geodezyjnej dokonuje się w 2 aspektach: dostosowania istniejących stacji do wykorzystania sygnałów udostępnianych przez nowe systemy GNSS oraz inicjatywy ASG+ Wojskowej Akademii Technicznej, Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu i Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego, która podejmują działania na podstawie grantu rozwojowego Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Do lipca 2014 roku uruchomiono 3 podsieci GPS+GLONASS, które umożliwiają odbiór dwusystemowych poprawek sieciowych w zasięgu ich działania: podsieć pomorską liczącą 8 stacji, podsieć warszawską łączącą 6 stacji, podsieć małopolsko-dolnośląską scalającą 15 stacji

53 Rysunek 23: Rozmieszczenie stacji EUPOS w Polsce i terenach przygranicznych z uwzględnieniem podsieci GPS+GLONASS [oficjalny portal ASG-EUPOS, dostęp r.] Jest to znaczne usprawnienie, bowiem do tej pory użytkownicy odbiorników dwusystemowych chcąc wykorzystywać ich możliwości w pomiarach fazowych byli zmuszeni ograniczać się do stosowania korekt z pojedynczej, wybranej stacji dwusystemowej nawet jeśli byli w pobliżu wielu z nich. Można przewidywać, że obecnie rozproszone zmodernizowane posterunki odbiorników bazowych będą łączone centrami obliczeniowymi w podobne regionalne struktury, które następnie stopniowo zostaną scalone do poziomu ogólnopolskiego. Na chwilę obecną zaobserwować można wzrost liczby stacji obsługujących GLONASS oraz Galileo, natomiast dane o możliwości wsparcia BDS przez Aktywną Sieć Geodezyjną nie są udostępniane. Oficjalna lista zawiera dodatkowe informacje o stacjach dotyczące:

54 wyposażenia w urządzenia meteorologiczne, zbierające dane niezbędne do modelowania stanu troposfery w tym wilgotności i ciśnienia, wpływających na propagację sygnału GNSS, włączenia stacji w sieć IGS (ang. International GNSS Service Międzynarodowej Służby GNSS), dobrowolnej współpracy w celu zbierania obserwacji umożliwiających polepszenie parametrów użytkowych globalnej nawigacji satelitarnej, włączenia w europejską sieć stacji permanentnych EPN (ang. European Permanent Network) uczestniczących w kinematycznych pomiarach przesunięć płyty kontynentalnej. Tabela 10: Udział stacji wielosystemowych i spełniających funkcje dodatkowe w sieci ASG-EUPOS. Wyszczególnienie GPS GLONASS Galileo Stacja meteo jednostka --- % --- % --- % --- % --- % --- % Stacje polskie % 31 31% 7 7% 15 15% 5 5% 15 15% Stacje przygraniczne IGS EPN % 20 87% 0 0% 0 0% 1 4% 4 17% Razem % 51 41% 7 6% 15 12% 6 5% 19 15% Druga inicjatywa, ASG+, która w założeniach miała zostać w założeniach być na chwilę obecną ukończona, poskutkowała następującymi utworzeniem modułu monitoringu działania wszystkich stacji w sieci w czasie bliskim rzeczywistemu na podstawie produktów IGS. Od 26 kwietnia 2012 roku wykorzystuje się w tym celu dane AGSR z opóźnieniem dobowym oraz AGSF z opóźnieniem tygodniowym. W planach jest wykorzystanie produktów Ultra Rapid AGSU i bieżąca ocena funkcjonowania sieci z trzygodzinnym oraz docelowo dwudziestominutowym opóźnieniem. Pozostałe proponowane moduły wspierające główne serwisy ASG obejmowały: stworzenie systemu tworzącego w czasie bliskim rzeczywistemu wysokorozdzielcze modele jonosfery i troposfery nad obszarem Polski z możliwością prognozy, zintegrowanie geodynamicznego modułu umożliwiającego ocenę ruchów litosfery na terenie Polski i ocena użyteczności danych z poszczególnych stacji do tego celu

55 Zakładano również uzupełnienie bądź zmodernizowanie istniejących serwisów postprocessingu oraz usług dla użytkowników odbiorników komórkowych: POZGEO-2, cechujący się możliwością opracowania krótkich sesji statycznych, tj. od 5 minut przy zalecanym interwale zapisu 10 s. Obecnie dolny limit trwania pomiaru w POZGEO wynosi 15 minut dla interwału 1 s oraz dla interwału 10 s 2 godziny. Ponadto, dzięki wykorzystaniu dokładnych poprawek troposferycznych oraz jonosferycznych przewidywano osiągnięcie dokładności do 2 cm horyzontalnie oraz możliwość pracy na wektorach do 100 km. POZGEO-2 miał również wspierać obserwacje sygnałów L1, L2 oraz L5/E5a. NAWGEO-P, będące odpowiednikiem powyższego dla zastosowań kinematycznych. Serwis ten miał wyróżniać się minimalnym czasem sesji w granicach 5 i 10 minut oraz dokładnością rzędu 3 cm poziomo, natomiast pozostałe charakterystyki miały pozostać analogiczne. Serwisem DGNSS umożliwiającym wykorzystanie rozwiązań technicznych obecnych w telefonach komórkowych. Proponowano wdrożenie trzech opcji: mdgps, przybliżonej metody różnicowej o dokładności 1-3 metrów, klasycznego DGPS oraz mrtk o decymetrowej dokładności, z którego korzystać by mogli posiadacze jednoczęstotliwościowego odbiornika SiRF. Mimo zadeklarowania jednego z celów ASG+ jako upowszechniania wiedzy o metodach wspomagania GNSS informacje o osiągnięciach nie zostały aktualizowane między 26 lutym 2012 a lipcem 2014 roku. Podejmowane są jedynie działania dotyczące zagęszczania i modernizacji sieci, jak np. przyłączenie 3 stacji ukraińskich, modernizacja stacji w Poznaniu oraz otwarcie kolejnej w Mielcu. Zaobserwować natomiast można dynamiczny rozwój alternatywnych sieci, które zostały opisane w kolejnych punktach

56 1.3. Pozostałe systemy Sieci krajowe Ekspansja prywatnych stacji referencyjnych związana jest przede wszystkim z wprowadzeniem opłat w celu korzystania z usług dotychczas największej z nich i pierwszej w Polsce, ASG-EUPOS. Zmiana ta, wchodząca w życie 12 lipca 2014 r. związana jest z nowelizacją ustawy Prawo geodezyjne i kartograficzne (Dz.U Nr 30 poz. 163). Wśród pozostałych źródeł poprawek RTK wymienić można: System 45 stacji Nadowski Net, działający w województwie śląskim, opolskim, małopolskim, podkarpackim i świętokrzyskim na sprzęcie i oprogramowaniu firmy Leica Geosystems, Małopolską Sieć Pozycjonowania Precyzyjnego (MSPP), na którą składa się 10 stacji referencyjnych włączonych również w ASG w związku z czym kwestia odpłatności serwisów jest obecnie uzgadniana z Głównym Urzędem Geodezji i Kartografii, Pojedyncze stacje firm prywatnych np. Apogeo w Grójcu oraz Geopryzmat w Raszynie pod Warszawą. Zestawienie podstawowych parametrów użytkowych i cenników usług sieci krajowych, w tym ASG-EUPOS zamieszczono w Tabeli 11. Poza wymienionymi należy zaznaczyć, że w ramach budowy infrastruktury ASG założono utrzymanie dystansu ok. 70 km między sąsiednimi stacjami, natomiast punkty Nadowski NET położone są w odległości km, jednak na mniejszym obszarze. Tabela 11: Porównanie ważniejszych cech wpływających na użytkowanie sieci krajowych. Wyszczególnienie ASG-EUPOS Nadowski NET MSPP liczba stacji liczba stacji rozpoczęcie zgłaszania 101 zgłoszonych do zasobu w sierpniu poprawki RTK 700 zł z pojedynczych stacji w trakcie uzgadniania planowany ok zł poprawki RTN z GUGiK 1,500 zł sieciowe

57 obserwacje satelitarnych w postprocessingu 1,000 zł odniesionych do stacji rzeczywistej obserwacje satelitarnych w postprocessingu 1,200 zł odniesionych do stacji wirtualnej dane korekcyjne różnicowe DGPS 300 zł brak danych dostępne poprawki FKP, VRS, MAC VRS, imax, MAC FKP, VRS, MAC Oprogramowanie Trimble Pivot Platform oraz Bernese GNSS Software - kontrola Leica GNSS Spider Trimble Pivot Platform oraz Bernese GNSS Software - kontrola inne ograniczenia Brak obejmie województwa: śląskie, opolskie, małopolskie, podkarpackie i świętokrzyskie obejmuje województwa: górnośląskie i małopolskie cechy dodatkowe dla 15 stacji EPN (osnowa Wykorzystanie użytkowników fundamentalna) algorytmów SmartRTK Brak włączenie w większe struktury EUPOS Brak ASG-EUPOS Zarządzający GUGiK Nadowski Urząd Marszałkowski Województwa Małopolskiego Spośród krajowych dostawców poprawek kinematycznych czasu rzeczywistego ASG pozostaje jedynym o zasięgu ogólnopolskim. Serwisy oparte o inne rozwiązania, oferuje firma Nadowski, natomiast MSPP pozostaje jedynie podsiecią wyróżniającą się innym organem zarządzającym. Większe zróżnicowanie występuje po uwzględnieniu usługodawców działających na rynku międzynarodowym, będących jednocześnie producentami sprzętu pomiarowego

58 Rysunek 24: Rozmieszczenie stacji poszczególnych sieci referencyjnych w Polsce Sieci międzynarodowe Prywatne systemy stacji referencyjnych, będących alternatywą dla ASG-EUPOS są w Polsce bez wyjątku na etapie wdrożenia oraz testów. Głównymi przedstawicielami zagranicznych spółek na terenie kraju są TPI, Leica oraz Geotronics tworzący odpowiednio sieci TPI NETPro, SmartNet Polska oraz VRSnet. Poza wysokością opłat, przedstawioną

59 z innymi charakterystykami w tabeli 12, usługi tych struktur dają użytkownikom następujące opcje dodatkowe: TPI NETPro zapewnia pełną współpracę z Aktywną Siecią Geodezyjną, umożliwiając tym samym korzystanie z 257 krajowych i przygranicznych stacji GPS. Ponadto sieć oferuje wsparcie dla GLONASS oraz Galileo na wszystkich swoich stacjach, więc dla użytkownika obu usługodawców liczba stacji wynosić będzie 149 dla pierwszego systemu GNSS oraz 125 dla drugiego. Możliwe będzie natomiast uzyskanie poprawek sieciowych dla obserwacji trzysystemowych, co do tej pory w ramach największej sieci krajowej było możliwe jedynie dla połączenia GPS+GLONASS w ramach podsieci działających na Pomorzu, aglomeracji warszawskiej, Dolnym Śląsku i Małopolsce. TPI NETPro współpracuje wg informacji oficjalnego portalu z odbiornikami Topcon oraz Sokkia, mimo że usługi mają być docelowo dostępne dla wszystkich zarejestrowanych. SmartNet Polska według założeń ma być najliczniejszą siecią, skupiającą 160 stacji. W przeciwieństwie do pozostałych, system firmy Leica poza możliwością korzystania z wirtualnych stacji referencyjnych VRS będzie oferować również rozwiązania zaproponowane przez tą firmę, mianowicie korekty MAC (lub MAX) oraz ich uproszczoną wersję dla starszych odbiorników, imax. Poprawki te według analiz dostawcy zwiększają precyzję wyznaczenia w niekorzystnych warunkach pomiarowych zapewniając większą swobodę dostosowania metod obliczeń oprogramowaniu odbiornika i są w pełni wykorzystywane przez urządzenia firmy Leica. Ponadto wysokość opłat ma być niższa dla użytkowników oferowanego sprzętu. VRSnet wyróżnia się wykorzystaniem standardu CMRx do przesyłania poprawek. Format ten został do tej pory zaoferowany jedynie przez ASG-EUPOS i w odróżnieniu od konkurencyjnego rozwiązania RTCM umożliwia udostępnianie poprawek trzysystemowych: GPS+GLONASS+Galileo lub GPS+GLONASS+BDS. Geotronics zarejestrowanym użytkownikom zapewnia również dostęp do pakietu oprogramowania zawierającego PNAS (ang. Precise Network Analysis Software) moduł postprocessingowy dedykowany wyznaczaniu punktów z dokładnością odpowiadającą osnowie I klasy. Podsieci występujące w województwie zachodniopomorskim, świętokrzyskim i śląskim mają zostać połączone w miarę rozbudowy w strukturę ogólnopolską

60 Tabela 12: Porównanie ważniejszych cech wpływających na użytkowanie sieci międzynarodowych działających na obszarze Polski z ASG-EUPOS. Wyszczególnienie ASG-EUPOS TPI NETPro SmartNet Polska VRSnet liczba stacji (planowane 160) 35 liczba stacji zgłoszonych do zasobu poprawki RTK z pojedynczych stacji poprawki RTN sieciowe obserwacje satelitarne w postprocessingu odniesione do stacji rzeczywistej obserwacje satelitarne w postprocessingu odniesione do stacji wirtualnej korekcyjne dane różnicowe DGPS dostępne typy poprawek RTN oprogramowanie inne ograniczenia brak danych w trakcie przyjęcia 700 zł 1,500 zł 1,000 zł 1,200 zł 300 zł Obecnie obniżona 2200 zł docelowy nieznany, tańszy dla użytkowników Leica - obecnie bezpłatny poza podsiecią pomorską tymczasowo bezpłatny (okres testowy 180 dni) FKP, VRS, MAC NET (tj. VRS) VRS, imax, MAC VRS Trimble Pivot Platform oraz Bernese GNSS Software - kontrola Brak TopNET Leica GNSS Spider Trimble VRS³Net początkowo dostępny tylko dla użytkowników Topcon i Sokkia, współpracuje z odbiornikami TPI głównie województwo pomorskie i łódzkie obecnie w województwach: zachodniopomorskim, świętokrzyskim i śląskim

61 standard CMRx umożliwiający wsparcie ASG- wsparcie GPS, cechy dodatkowe dla użytkowników 15 stacji EPN (osnowa fundamentalna) EUPOS, obsługa GPS, GLONASS i Galileo przez Wykorzystanie algorytmów SmartRTK GLONASS i Galileo, moduł PNAS do tworzenia wszystkie stacje punktów osnowy I klasy w postprocessingu włączenie w większe struktury EUPOS TopNET live SmartNet Europe i Worldwide stacje referencyjne Trimble zarządzający GUGiK TPI Leica Geosystems Geotronics Podsumowując, na obszarze Polski zachodzi dynamiczny rozwój infrastruktury umożliwiającej wykonywanie pomiarów RTK. Zaznaczyć należy jednak, że korzystanie z łącznego zasięgu stacji wymagać będzie składania regularnych opłat każdemu dostawcy z osobna oraz zapewnienia przez nich możliwości współpracy przez dostosowanie metod obliczeniowych. Liczebność stacji referencyjnych w sieciach w Polsce 35; 8% 45; 11% TPI NETPro 90; 21% 123; 29% 113; 27% Leica SmartNet VRSnet NadowskiNet 133; 31% 10; 2% tylko ASG MSPP Rysunek 25: Porównanie liczebności sieci referencyjnych w lipcu 2014 roku w Polsce wliczając stacje przygraniczne. Dotychczas jedynie TPI zapowiedziało pełną kooperacyjność z Aktywną Siecią Geodezyjną. Można przewidywać, że po uruchomieniu wszystkich przedstawionych sieci poziom obowiązkowych opłat zacznie maleć. Jeszcze na etapie wdrożenia producenci rozszerzyli dostępność usług z własnych klientów na wszystkich użytkowników i przedstawiali oferty testowe i promocyjne. Rezultatem opisanej rozbudowy bazy referencyjnej będzie

62 znaczący wzrost dostępności poprawek niezbędnych do otrzymania rozwiązania fazowego i utrzymania ciągłości sesji pomiarowej. Tym samym warto rozważyć w jakim stopniu zostaną spełnione wymagania dotyczące prowadzenia precyzyjnej nawigacji, gdzie w szczególności mogą znaleźć zastosowanie opisane serwisy

63 2. Wymagania nawigacji precyzyjnej 2.1. Systematyka porównawcza Podział systemów i użytkowników nawigacji Niezbędnym dla rozpoczęcia rozważań dotyczących wymagań nawigacji precyzyjnej jest podział użytkowników i systemów wykorzystywanych w tej zróżnicowanej dziedzinie. Jako główne kryterium w przyjętej systematyce obrane powinno być umożliwienie określenia jednorodnych wymagań w każdej ze zdefiniowanych kategorii zastosowań nawigacyjnych. Stworzona w ten sposób zostanie podstawa do porównania i oceny parametrów użytkowych cechujących systemy GNSS i je wspierające. Przedmiotem opracowania pod względem zidentyfikowania grup odbiorców będą zatem systemy radionawigacyjne, oparte na transmisji fal elektromagnetycznych i wliczające GPS oraz jego substytuty. W celu dokonania charakterystyki zastosowań innych niż te, w których są obecnie wykorzystywane systemy satelitarne wymieniono techniczne rozwiązania nawigacyjne w ogólności. Zauważyć należy, że systemy określane jako nawigacyjne bądź pozycyjne znajdują obecnie aplikacje wykraczające poza obszar zainteresowania nawigacji jako dziedziny wiedzy obejmującej proces wyznaczania drogi z aktualnej pozycji obiektu do ustalonego celu. W tę kategorię wliczają się również aplikacje hydrograficzne i rolnicze, które poza wyznaczeniem optymalnej pod względem wprowadzonych kryteriów trasy pojazdu bądź maszyny w celu przeprowadzenia danej pracy także synchronizują jej działanie według aktualnej pozycji. Poza nimi w zakres zastosowań nienawigacyjnych włączono te, w których w większym stopniu wykorzystuje się obserwacje statyczne oraz postprocessingowe opracowanie danych. Techniki te służą celom innym niż nawigacyjne odpowiednio z przyczyny pozycjonowania jedynie obiektów nieruchomych oraz otrzymywania rozwiązania po zakończeniu sesji pomiarowej. Przyjęty w niniejszej pracy podział przedstawiono na rysunku 26. Zaczerpnięte z artykułu doktora Czesława Dyrcza, magistra Henryka Nitnera oraz profesora Cezarego Spechta zestawienie dzieli nawigację w pierwszej kolejności według przestrzeni na której zachodzi: na morską, lotniczą oraz lądową, następnie zaś według etapu trasy zgodnie ze zróżnicowaniem wymagań. Zastosowania pozanawigacyjne natomiast rozróżniono zgodnie rodzajem aktywności gospodarczej bądź naukowej. Schemat uzupełniono obecnie rozwijanymi aplikacjami o niskiej standaryzacji, tj. lotnictwem bezzałogowym oraz osobistą nawigacją wspierającą m.in. osoby niepełnosprawne. Ponadto, z uwagi na szczególne wymagania

64 wyróżniono dokonywanie nawigacji morskiej w rejonie instalacji offshore, głównie pól naftowych i farm wiatrowych. Zmiany te zostały wyróżnione kolorem zielonym. Rozwiązaniami opartymi o UAV (ang. Unmanned Aerial Vehicle bezzałogowe pojazdy powietrzne) jest obecnie zainteresowanych wiele instytucji, a głównym ograniczeniem rozwoju tego rynku jest nieustalony status prawny użytkowania. Wśród symptomów wspomnianej sytuacji wymienić można występowanie wielu określeń tzw. dron w literaturze: UAS (ang. Unmanned Aerial System bezzałogowy system powietrzny) według definicji wliczający także system sterowania i komunikacji z pojazdem i pozostałe niezbędne wsparcie, RPA (ang. Remotely Piloted Aircraft samolot zdalnie pilotowany) według ICAO (ang. International Civil Aviation Organization Międzynarodowej Organizacji Lotnictwa Cywilnego), Także jako RPAS (ang. RPA System System RPA) i UAVS (ang. UAV System System UAV). Jednym z rozwiązań implementowanych w UAS jest możliwość autonomicznego działania w przypadku zakłócenia łączności z operatorem. Sprowadza ono do maksimum uzależnienie od systemu radionawigacyjnego pojazdu. Ponadto zastosowania maszyn bezzałogowych dotyczą większości nie transportowych zadań lotniczych, które zostały szczegółowo przedstawione w dziale Rysunek 26: Klasyfikacja użytkowników systemów radionawigacyjnych fazy ruchu oraz zastosowania [na podstawie Specht C., Koc W., Oszczak S., 2014]

65 Rozwój drugiej z kategorii, lądowej nawigacji osobistej odbywa się obecnie przez projektowanie rozwiązań wspomagających poruszanie się osób niepełnosprawnych, przede wszystkich niewidomych, niedowidzących i z trudnością odnalezienia się w przestrzeni. Brak regulacji prawnych nie jest tu tak istotną przeszkodą jak w pierwszym przypadku, a postęp prac ogranicza trudność dostosowania interfejsu tak, by w każdych warunkach przekazywał użytkownikom czytelne i jednoznaczne informacje. Obie aplikacje wymagają natomiast wysokiej wiarygodności i dostępności systemów nawigacyjnych. Stosowanie odbiorników GNSS w obecnym, wczesnym stadium rozwoju tych grup stanowi przesłankę o uwzględnieniu ich w ramach niniejszego opracowania. Rysunek 27: Zestawienie i podział systemów nawigacyjnych [na podstawie Nitner H., Specht C., 2012]

66 W wymienionych powyżej rodzajach nawigacji i prac wymagających pozycjonowania precyzyjnego zastosowanie znajdują także systemy inne niż radiowe. Na rysunku 27 zaczerpniętym z artykułu Systemy radionawigacyjne definicje i klasyfikacje uzupełniono najważniejsze przykłady pokładowych rozwiązań technicznych wykorzystywanych w morskiej i lotniczej nawigacji precyzyjnej. Uwzględniono przede wszystkim systemy morskiego pozycjonowania relatywnego, wykorzystującego transpondery lub znaczniki umieszczane w otoczeniu statku. W przeciwieństwie do podobnych w działaniu rozwiązań lotniczych oznaczonych jako terrestryczne, przytoczone przykłady uznano za pokładowe. Argumentuje za tym przesyłanie danych bezpośrednio do interfejsu na statku oraz umieszczenie modułów pomiarowych i punktów odniesienia nie tylko na lądzie, lecz głównie na statkach i instalacjach offshorowych. Warte zaznaczenia jest również rozróżnienie kategorii systemów terrestrycznych oraz lądowych. Podczas gdy pierwszy poziom podziału wskazuje fizyczne umiejscowienie segmentów przytoczonych rozwiązań, drugi dzieli je według strefy działania. Tym samym stwierdzić można, że jako terrestryczne opisano systemy, które cechuje infrastruktura lądowa, natomiast jako lądowe pozornie stanowiące synonim te, których użytkownicy są na lądzie. Pozostałe przyjęte założenia zostały szczegółowo opisane w przytoczonym artykule. W dalszej części niniejszego opracowania każdej z faz trasy dla morskiej, lądowej i lotniczej strefy działania przypisano wymagane parametry użytkowe. Ich porównanie z charakterystykami systemów, przede wszystkim satelitarnych pozwala określić, które z nich mogą zostać rekomendowane. Jest to najważniejsza część planów radionawigacyjnych dokumentów regulujących użytkowanie rozwiązań nawigacyjnych na obszarze podległym wydającym je instytucjom. Problematyka wprowadzenia tej regulacji podejmowana była dotychczas wielokrotnie i bez skutku, jednak w 2013 roku działająca przy Polskiej Akademii Nauk Komisja Nawigacji i Hydrografii Komitetu Geodezji powołała zespoły, których celem jest zmiana tej sytuacji przez opracowanie proponowanych wersji planu. Wartym zauważenia jest fakt, że obecnie przywołać można jedynie nieliczne przykłady podobnych obowiązujących aktów prawnych. Zaliczają się do nich: Federal Radionavigation Plan (Federalny Plan Radionawigacyjny) tworzony przez Departament Bezpieczeństwa Wewnętrznego, Departament Obrony oraz Departament Transportu, którego aktualna wersja obowiązuje na terytorium USA od 2012 roku,

67 European Radio Navigation Services (Europejskie Usługi Radionawigacyjne), będący od października 2004 roku częścią the European Union Navigation Plan (Planu Nawigacyjnego Unii Europejskiej), General Lighthouse Authority s Radio Navigation Plan (Plan Radionawigacyjny Głównego Zarządu Latarni Morskich) opublikowany przez General Lighthouse Authority w Wielkiej Brytanii w styczniu 2007 roku, Swedish Radio Navigation Plan, Policy and Plans (Szwedzki Plan Radionawigacyjny) aktualizowany cyklicznie przez Szwedzką Administrację Morską ostatnia wersja z 2009 roku, World Wide Radio Navigation Plan (Światowy Plan Radionawigacyjny), opublikowany przez IALA (ang. International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities) 1 grudnia 2009 roku i zaktualizowany 1 grudnia roku 2012, pozostałe narodowe regulacje (austriacka, finlandzka, francuska, niemiecka, holenderska i szwajcarska) odnotowane w dokumencie System and policy inventory przygotowanym przez Helios Technology dla Komisji Europejskiej jako podstawa planu europejskiego. Zauważyć należy, że powyżej wymienione źródła specyfikacji systemów i warunków koniecznych do ich wykorzystania w nawigacji przyjmują metodologie różniące się od wcześniej zaprezentowanej, jak również między sobą. Mając na uwadze zachowanie aktualności niniejszego opracowania informacje zagregowano wybierając najbardziej aktualne charakterystyki użytkowe rozwiązań technicznych oraz najwyższe wymagania dotyczące ich aplikacji. Wśród tych ostatnich by zachować kompletność analizy wymieniono wszystkie określone w regulacjach źródłowych. Mimo, że celem zestawienia jest określenie możliwości aplikacji satelitarnych technik pozycjonowania dalsza synteza dokumentacji może stanowić poziom odniesienia przy definiowaniu polskiego planu radionawigacyjnego. Zasadność podejmowania działań ku temu zaprezentowano we wcześniej przywoływanym artykule [Specht C., Koc W., Oszczak S., 2014], wymieniając: ujednolicenie wymagań przez zastąpienie obecnego, apriorycznego przyjmowania zaleceń międzynarodowych wprowadzoną w systemie prawnym regulacją w formie ustawy lub rozporządzenia,

68 uproszczenie procesów inwestycyjnych wymagających zapewnienia bezpieczeństwa przez aplikację systemów radionawigacyjnych na skutek konieczności instalacji rekomendowanych rozwiązań lub lepszych z uwagi na ustalone kryteria, uściślenie procedur dotyczących montażu, sprawdzenia i stwierdzania statusu operacyjnego, zmniejszenie ryzyka katastrofy komunikacyjnej z uwagi na wykorzystanie niewystarczających do danego celu rozwiązań nawigacyjnych i zwiększenie bezpieczeństwa transportu w skali kraju Kryteria porównawcze Ustalając parametry pod względem których zdefiniowane mają zostać rekomendacje systemów nawigacyjnych, że ich zakres zmieniał się oraz będzie zmieniać na przestrzeni kolejnych lat. O ile trudnym zadaniem jest przewidywanie dalszych przewartościowań kryteriów, a efekt podobnych predykcji niemożliwy jest do bieżącej oceny, to koniecznym staje się dobór najważniejszych z nich na moment dokonywania analizy. Rysunek 28: Zmiana roli kryteriów porównawczych systemów nawigacyjnych na przestrzeni lat [Nitner H., Dyrcz Cz., Specht C., 2012]

69 Przedstawiona powyżej zmiana wagi poszczególnych miar możliwości eksploatacyjnych jest skutkiem wdrożenia satelitarnych metod pozycjonowania i postępującego dotychczas wypierania przez nie pozostałych technik. Zauważyć należy, że kryteria o największym znaczeniu w danym czasie to te, pod względem których występuje największa różnica między wymaganiami nawigacji, a parametrami systemów. Tym samym zidentyfikować można kolejne fazy rozwoju oceny parametrycznej: 1. Sprzed ostatniej fazy wdrożenia GPS-Navstar przed początkiem lat 90, kiedy porównań dokonywano pod względem parametrów pozycyjnych. Głównym ograniczeniem ówczesnych rozwiązań, wśród których wymienić można Omegę, Transit, Deccę oraz Loran były stosunkowo niska dokładność oraz częstość uzyskania wyznaczeń pozycji do efektywnego prowadzenia nawigacji. Dodatkowym problemem natomiast w przypadku systemu Decca i Loran C była możliwość uzyskania niejednoznacznych wskazań. 2. Po osiągnięciu FOC przez GPS-Navstar w 1995r., gdy spełnione zostały podstawowe wymagania pozycyjne dla użytkowników cywilnych określone opublikowanymi standardami. Zainteresowanie skupione zostało na dostępności i niezawodności systemów w zasięgu ich działania w przypadku GNSS globalnego. Kolejną charakterystyką była ciągłość, określana dla aplikacji nawigacji precyzyjnej. 3. Wraz z podwyższeniem standardów wiarygodnościowych związaną z ciągłą modernizacją systemów zdefiniowano nową grupę kryteriów, dotyczącą bezpieczeństwa eksploatacji. Niebywały rozwój tej kategorii przypisać można m.in. możliwości certyfikacji określonego poziomu bezpieczeństwa użytkowania i jego bezpośredniemu przełożeniu na zabezpieczenie nawigacji. Podsumowując powyższe obserwacje wyróżnić można 3 grupy kryteriów: pozycyjne, niezawodnościowe oraz bezpieczeństwa użytkowania. Główne parametry wśród pierwszej z nich, przytaczane przez Federalny Plan Radionawigacyjny wymieniono poniżej [FRNP, 2012]: Dokładność wyznaczenia pozycji (ang. position accuracy) mierzona błędem średniokwadratowym (ang. rms root mean square) wyznaczeń w określonych wymiarach przestrzennym: 1D z wyróżnieniem kierunku - np. południkowego lub równoleżnikowego lub wzdłuż danej trasy, 2D na lokalnej płaszczyźnie stycznej do powierzchni Ziemi lub 3D. Wartość tą podaje się dla przyjętej tolerancji

70 określonej procentem wyznaczeń zawierających się w przedziale skupionym wokół pozycji średniej. Błąd dwuwymiarowy najczęściej charakteryzowany jest kołowym poziomem zaufania 2 sigma, odpowiadającym wielkości przedziału mieszczącej 95% wyników, natomiast trójwymiarowy - sferą o podobnym promieniu, w której przestrzeni mieści się 95% rezultatów. Dokładność wyraża się w jednostkach długości. Wyróżnia się następujące rodzaje dokładności pozycjonowania: Przewidywaną (ang. predictable) określaną jako różnica między pozycją wskazaną przez system a pozycją skartowaną przy założeniu użycia tego samego układu współrzędnych. Powtarzalną (ang. repeatable) wyznaczaną jako możliwość powrotu użytkownika w to samo miejsce na podstawie danych pierwotnego pomiaru oraz za pomocą tego samego systemu pozycyjnego. Względną lub relatywną (ang. relative) dokładność pozycji względem innego użytkownika tego samego systemu dokonującego pozycjonowania w tym samym czasie. Absolutną (ang. absolute) podawaną w opracowaniach [ERNS, 2004], będącą w zasadzie dokładnością określenia położenia, nie pozycjonowania. Definiowana jest jako miara zgodności wskazań pozycji danego obiektu według systemu PNT (ang. Position Navigation and Timing Pozycyjno-Nawigacyjno-Synchronizującego) lub GIS (Geographic Information System Systemu Informacji Przestrzennej) z jego rzeczywistą pozycją w przestrzeni w tym samym układzie współrzędnych. Tym samym jedynym szczegółem odróżniającym dokładność przewidywaną od absolutnej jest wliczenie błędu przedstawienia lokalizacji w interfejsie użytkownika bądź na mapie w przypadku drugiej z wymienionych. Częstość określania pozycji (ang. positioning frequency, fix rate) miara szybkości działania systemu określana liczbą niezależnych wyznaczeń pozycji bądź punktów współrzędnych uzyskanych w jednostce czasu. Wyrażana bywa także w jednostkach czasu między kolejnymi rezultatami mimo niezgodności tej formy z powyższą definicją. Pojemność systemu (ang. system capacity) wyrażana pozbawioną jednostki liczbą całkowitą odpowiadającą liczbie użytkowników która może jednocześnie korzystać z systemu

71 Jednoznaczność wyznaczeń (ang. fix unambiguity) zdolność systemu do uzyskiwania rozwiązania zawierającego pojedynczą lokalizację użytkownika. Decca oraz Loran nie spełniały tego wymagania, mogąc w pewnych warunkach wskazać zbiór możliwych punktów współrzędnych. Jednoznaczność określana jest opisem słownym. Wymiarowość pozycji (ang. fix dimensions) określenie słowne czy system wyznacza pozycję jednowymiarowo wzdłuż danej linii, dwuwymiarowo na płaszczyźnie czy przestrzennie. Zdolność systemu do wyznaczania wartości w czwartym wymiarze (np. czasie) na podstawie sygnału również podlega uwzględnieniu. Strefa działania (ang. coverage area) definiuje obszar na którym system umożliwia prowadzenie czynności nawigacyjnych z określoną dokładnością. Określana jest opisem słownym, a wpływ na nią w przypadku systemów radionawigacyjnych mają m.in. czułość odbiornika, geometria nadajników systemu, siła sygnału i jego propagacja oraz poziom szumu, a więc głównie ograniczenia dotyczące możliwości przekazania informacji za pomocą sygnału. Strefa działania systemów nie opartych na falach radiowych uzależniona jest od bardziej różnorodnych czynników. Wśród podstawowych czynników niezawodnościowych oceny wymienić należy: Dostępność (ang. Availability) definiowaną jako procent czasu przez który system i jego serwisy są użyteczne dla użytkownika znajdującego się w strefie działania. Tym samym jednostką dostępności jest procent lub liczba z przedziału od zera do jedności dzielona przez okres czasu na jaki została wyznaczona wyrażany np. w dniach. Przy ustalaniu wartości tego miernika brane pod uwagę jest działania czynników technicznych jak i środowiskowych. Niezawodność (ang. Reliability) będąca funkcją częstotliwości występowania błędów systemu rozumianych jako jego działanie przekraczające pozostałe zdefiniowane standardy eksploatacyjne. Miarę tę ponadto wyznacza się dla danych warunków użytkowania oraz czasu. Współczynnik niezawodności jest

72 bezwymiarowy i wyznaczany jako różnica jedności i prawdopodobieństwa wystąpienia awarii bez ostrzeżenia. Ciągłość (ang. Continuity) określana przez prawdopodobieństwo ciągłego działania systemu w danym okresie czasu z daną częstotliwością wyznaczeń w jego strefie działania. Tym samym miara ta wyrażana jest przez procent bądź liczbę od zera do jedności dzieloną przez jednostkę czasu. Spotykaną i wykorzystaną w niniejszym opracowaniu miarą ciągłości jest jej różnica z jednością, czyli prawdopodobieństwo przerwania działania w określonym czasie, która czytelniej przedstawiona może zostać w zapisie naukowym. Ostatnią z wprowadzonych grup parametrów eksploatacyjnych są kryteria bezpieczeństwa użytkowania, do których należy przede wszystkim: Wiarygodność (ang. Integrity) rozumiana jako miara zaufania do poprawności informacji udostępnianych przez system PNT. Parametr ten opisuje warunki przesyłania jest użytkownikowi wiadomości o niepoprawnym działaniu systemu w jego strefie działania. W celu określenia wiarygodności przedstawiane są 3 charakterystyki: limit do alarmu w metrach lub innej jednostce długości, czas do alarmu w sekundach oraz prawdopodobieństwo niewystąpienia alarmu. W publikacjach angielskojęzycznych występują one pod skrótowcami LTA (ang. Limit to alarm) w jednostkach długości, TTA (ang. Time to alarm) w jednostkach czasu oraz PHMI (ang. Probability of hazardously misleading information prawdopodobieństwo niebezpiecznie mylących informacji) zapisywane jako ułamek dzisiętny lub procent. Wartość LTA podawana jest często w wymiarze horyzontalnym i wertykalnym osobno i oznaczana odpowiednio jako HAL (ang. Horizontal Alarm Limit) oraz VAL (ang. Vertical Alarm Limit). Zauważyć należy, że nie dla wszystkich systemów i aplikacji konieczne jest określenie wszystkich powyżej wymienionych wartości a w przypadku niektórych nawet niemożliwe. W przytoczonych wcześniej planach radionawigacyjnych miary matematyczne zostają wykorzystane w zróżnicowanym stopniu do opisu systemów i wymagań, co zostało przedstawione w tabeli

73 Tabela 13: Występowanie parametrów eksploatacyjnych w źródłowych planach radionawigacyjnych [FRNP, 2012; ERNS, 2004; Swedish RNP, 2009; WWRNP, 2012]. Dokument FRNP ERNS GLA s RNP Swedish RNP WW RNP* Państwo/ Organizacja USA UE Wielka Brytania Szwecja IALA Nazwa angielska Positioning Accuracy Positioning frequency System capacity Fix unambiguity Fix dimensions Coverage area Nazwa polska Rodzaje Dokładność pozycjonownia Częstość pozycjonowania Pojemność systemu Jednoznaczność wyznaczeń Wymiarowość pozycji S, W S, W - S, W W 1/2/3 D rms i przewidywana, powtarzalna relatywna lub absolutna Najczęstsze jednostki m, NM S S - - W - Hz, s S S S S opis słowny S S Strefa działania S, W S, W - - W dyskretna, połączona lub jednorodna opcje: 1D, 2D, 3D, 4D Availability Dostępność S, W S, W - W W - %/dni Reliability Niezawodność S, W S, W - W W - %/h opis słowny Continuity Ciągłość S, W S, W - - W - %/h, %/s Integirty Wiarygodność S W limit do alarmu (LTA), czas do alarmu (TTA), prawdopodobieństwo braku alarmu m, s, %/s gdzie: S wykorzystanie w specyfikacjach systemów, W wykorzystanie w opisie wymagań. * określono na podstawie wskazanych w dokumencie rezolucji IMO (ang. International Maritime Organization Międzynarodowa Organizacja Morska) A.953(23) oraz A.915(22). Poza powyżej wymienionymi wybrane dokumenty normatywne zawierają opis dodatkowych parametrów, które nie były definiowane specjalnie dla systemów radionawigacyjnych. Wśród nich wymienić można kryteria eksploatacyjne, które podzielono między trzy wcześniej wymienione grupy: Precyzję systemu (ang. System precision) miarę wzajemnej zgodności indywidualnych wyznaczeń pochodzących z tego samego systemu, nie występującą w opisie wymagań i systemów PNT w dokumentach źródłowych,

74 Efektywny transfer danych (ang. Effective data rate) miarę sprawności łącza określaną maksymalną możliwości przesyłania danych cyfrowych między odbiornikiem i nadajnikiem, podawaną w kilobitach na sekundę, Bezpieczeństwo komunikacji (ang. Communications security) czynnik opisywany słownie uwzględniający możliwość przechwycenia informacji radiowej oraz podatność systemu na wprowadzanie celowych manipulacji zakłócających jego normalną pracę. Pisemne analizy wdrożenia i użytkowania systemów PNT zawierają również omówienie czynników techniczno-ekonomicznych związanych z ich instalacją i użytkowaniem z perspektywy dostawcy. Zauważyć należy, że nie są one miarami matematycznymi jak parametry wcześniej wymienione i nierzadko podlegają opisowi wieloma parametrami, jak np. zwrot kosztów określany okresem zwrotu, stopą zwrotu i innymi miernikami finansowymi. Zagadnienia te na rysunku 29 podzielono na związane z sygnałem nośnym, pozostałe techniczne oraz ekonomiczne i zestawiono ze wcześniej przedstawionymi. Rysunek 29: Zestawienie parametrów eksploatacyjnych i techniczno-użytkowych wymienianych w planach radionawigacyjnych [FRNP, 2012; ERNS, 2004; Swedish RNP, 2009; WWRNP, 2012]

75 Charakterystyki systemów By zapewnić możliwość porównania charakterystyk systemów pozycjonowania z wymaganiami nawigacyjnymi w pierwszej kolejności zebrano wartości parametrów eksploatacyjnych określone w standardach. Tym samym dokonano poniższego zestawienia właściwości systemów operujących niezależnie oraz wspomagających z wyłączeniem serwisów postprocessingowych: Tabela 14: Wartości kryteriów porównawczych systemów PNT, GBAS i SBAS dostępnych na terytorium Polski [FRNP, 2012; ERNS, 2004; GPS SPS Performance Standard 4, 2008, GLONASS ICD 5.1, 2008, Galileo SIS ICD, 2010, BeiDou OS Performance Standard, 2013; GPS SPS Performance Analysis Report, 2014]. Dokładność P(0.95) Wiarygodność System Serwis Horyzontalna (2D) Wertykalna Strefa działania Dostępność Limit do alarmu Czas do alarmu Prawdopodob. alarmu Ciągłość jednostka: m m - % m s ---/s ---/s Samodzielne globalne systemy GNSS Navstar GPS SPS Globalna Brak alarmów / 3600 GLONASS SP Globalna 99.0 Brak alarmów --- OS Globalna 99.0 Brak alarmów --- SoL Globalna CS Globalna --- Brak alarmów --- Galileo Hz: PRS Globalna V: 10-7 / / SAR 2000 Globalna 99.8 Brak alarmów --- BDS 6 OS Globalna 98.0 Brak alarmów (globalny) 10-3 /

76 Satelitarne systemy wspomagania SBAS dostępne na terytorium Polski Terytorium OS lądowe państw EU25 oraz Norwegii 99 Brak alarmów --- i Szwajcarii EGNOS SoL trasowy i NPA Regiony Informacji Lotniczej (FIR) ECAC Hz: 556 V ---: / / 3600 SoL APV-I Terytorium lądowe ECAC Hz: 40 V: / / 15 Naziemne systemy wspomagania GBAS dostępne na terytorium Polski Płd.-zach. od stacji ref. DGPS-PL Bałtyk, (zmodernizowany) do 250 km 99.5 Brak alarmów Nawgeo ASG EUPOS 52.9 Polska, 70 km Brak alarmów i/lub MSPP Kodgis od stacji ref. Nawgis i 35 km od Nadowski Net RTK --- Brak alarmów --- przekaźnika TPI NETPro RTK Brak alarmów GSM SmartNet RTK Brak alarmów --- VRSnet RTK --- Brak alarmów --- Gdzie kursywą oznaczono wartości określone eksperymentalnie, --- oznacza obecny brak standardu, Hz wartość horyzontalną, a V wertykalną. Z uwagi na brak unormowań pominięto niektóre parametry eksploatacyjne systemów, w tym liczbę użytkowników, przyjmowaną jako nieograniczona w każdym przypadku, oraz dokładność 3D i niezawodność, które nie zostały określone liczbowo w dokumentach źródłowych. Należy nadmienić, że kryteria porównawcze systemów wspomagania powinny zostać zagregowane z możliwościami systemów wspomaganych systemów GNSS, ponieważ dopiero łączne właściwości niezawodnościowe i bezpieczeństwa eksploatacji mogą zostać przyrównane do rekomendowanych limitów przedstawianych w planach radionawigacyjnych

77 Trudnością w tym przypadku jest obecny brak standaryzacji parametrów niezawodności wszystkich powyżej wymienionych przykładów oraz przedstawianie jedynie parametrów dokładnościowych przez dostawców poprawek RTK. Wiadomości dotyczące wiarygodności i ewentualnych awarii w sieciach referencyjnych są podobnie jak w przypadku m.in. systemu GPS przekazywane za pośrednictwem portalu internetowego. W ASG-EUPOS następuje to z bliżej nieokreślonym wyprzedzeniem gdy zmiany są planowane lub z opóźnieniem sięgającym doby w ramach modułu monitoringu ASG+. Brak standardów oraz opisanych mechanizmów ostrzegania przed możliwością odbioru mylących informacji powodują, że poniżej przedstawiona próba łącznego zestawienia parametrów eksploatacyjnych ma charakter przykładowy. Zaprezentowany wzór uzupełniany powinien być wraz z rozwojem certyfikacji systemów wspomagania PNT, co umożliwi ich jednoznaczną kwalifikację do użycia w danych celach nawigacyjnych. Tabela 15: Zestawienie parametrów użytkowych kombinacji systemów satelitarnych. Systemy Dokładność P(0.95) Horyzontalna (2D) Wertykalna Strefa działania Dostępność minimalnego działania Dostępność pełnego działania Limit do alarmu Wiarygodność Czas do alarmu Prawdopodob. alarmu Ciągłość minimalnego działania Ciągłość pełnego działania jednostka: m m --- % % m s GPS SPS + EGNOS GPS SPS + GLONASS SP Terytoria Hz: + EGNOS lądowe 40.0 GPS SPS + GLONASS SP EU25 oraz V: + Galileo OS + EGNOS ECAC GPS SPS + GLONASS SP 6 + Galileo OS + BDS OS EGNOS Hz: GPS SPS + GLONASS SP Globalna Galileo PRS + BDS OS V: /150s /3600s /3600s

78 GPS SPS + DGPS-PL * GPS SPS + GLONASS SP Płd.-zach. Brak alarmów * DGPS-PL Bałtyk, GPS SPS + GLONASS SP do 250 km Galileo OS + BDS OS + DGPS-PL * od stacji ref Brak alarmów GPS SPS + GLONASS SP + ASG-EUPOS + TPI NETpro GPS SPS + GLONASS SP + Galileo OS + BDS OS + ASG-EUPOS + TPI NETpro Gdzie: Polska, do 70 km od stacji ref. Brak alarmów i 35 km od przekaźnika GSM Dostępność i ciągłość minimalnego działania to prawdopodobieństwo użyteczności przynajmniej 1 z wymienionych systemów PNT oraz przynajmniej jednego systemu wspomagania jeśli został podany. Dostępność i ciągłość pełnego działania to prawdopodobieństwo jednoczesnego działania wszystkich systemów w danej kombinacji. W przypadku EGNOS przyjęto wykorzystanie serwisu otwartego OS oraz bezpieczeństwa życia przy podejściach precyzyjnych, SoL APV-I. Nominalną dokładność wertykalną DGPS-PL przyjęto z proporcji dokładności eksperymentalnych (tabela 14). Agregacji zmiennych wyrażanych prawdopodobieństwem dokonano w pierwszej kolejności przez wymnożenie do wspólnego mianownika tych z nich, które dotyczą określonego czasu, tj. ciągłości i dostępności do odpowiednio okresów 150 s oraz 3600 s. Założeniem przyjętym przy tej operacji jest jednorodny rozkład występowania przerw działania oraz alarmów w systemach. Jako kolejny krok wykonano oszacowania łącznych prawdopodobieństw. Możliwość wystąpienia alarmu określona została każdorazowo przez maksymalnie 1 system w każdej kombinacji dysponujący możliwością przesyłania informacji o wiarygodności w depeszy. Ciągłość oraz dostępność zostały natomiast podzielone na prawdopodobieństwa pełnego działania z redundancją oraz minimalnego działania wystarczającego do spełnienia kryteriów eksploatacyjnych, bez redundancji. Przez redundancję rozumie się gotowość więcej niż 1 systemu spełniającego daną funkcję w tym samym czasie

79 Obliczenia wykonano analogicznie do poniższego przykładu, dotyczącego kombinacji odbiornika obsługującego GPS, GLONASS oraz EGNOS: Rysunek 30: Sposób obliczeń wartości pełnej oraz minimalnej dostępności i ciągłości systemów PNT. Tym samym prawdopodobieństwo pełnego działania określić można jako iloczyn charakterystyk wszystkich systemów o znanych parametrach w kombinacji: P max ( GPS, GLONASS, EGNOS ) P P P, (2.1) ( GPS) ( GLONASS ) ( EGNOS ) natomiast minimalne działanie określa iloczyn równoległego połączenia systemów danej kategorii: P. (2.2) max ( 1 (1 P (,, ) ( GPS) ) (1 P( GLONASS) )) P GPS GLONASS EGNOS ( EGNOS ) Zauważyć należy, że wymienione w tabeli 15 dokładności są wybranymi wartościami nominalnymi podawanymi obecnie dla każdego z systemów z osobna. Przywołane w rozdziale 1 wyniki pomiarów doświadczalnych z wykorzystaniem odbiorników wielosystemowych dowodzą, że parametry dokładnościowe ulegają poprawie na skutek m. in. polepszenia geometrii rozwiązania nawigacyjnego. W rezultacie stwierdzić można, że ocena użyteczności przyszłych kombinacji systemów radionawigacyjnych wymaga dalszego zbadania ich możliwości, które będą równe lub lepsze od wymienionych w tabeli

80 2.2. Nawigacja morska Charakterystyka segmentu Transport morski nierzadko pojmowany jest jako jeden z najbardziej stabilnych sektorów przemieszczania towarów i osób, czego potwierdzeniem ma być jego wielowiekowa tradycja był to wszakże prawdopodobnie pierwszy sposób poruszania się inny niż pieszy. Powstanie transportu lotniczego i dynamiczny rozwój drogowego w XX wieku oddaliły postrzeganie żeglugi jako strategicznej dla funkcjonowania gospodarki. Zmianę tę w oparciu o dane liczbowe dotyczące wielkości handlu w ostatnim dziesięcioleciu oceniać można jednak jako pozorną. Rysunek 31: Wielkość transportu ropy, gazu oraz ładunków suchych w iloczynie ton i mil drogi w latach [Sekretariat Konferencji Narodów Zjednoczonych ds. Handlu i Rozwoju, 2013]. Powyższe dane uwzględniają zarówno tonaż jak i długość rejsów w przemieszczaniu najważniejszych ładunków drogą morską. Zauważyć można, że w latach nastąpił

81 łączny wzrost tak zdefiniowanej wielkości transportu o około 1/3, tj. z poziomu niespełna miliardów miloton do prawie miliardów. Czynnikiem, który niewątpliwie miał zdecydowany pozytywny wpływ na przedstawione zjawisko było przenoszenie produkcji przemysłowej z krajów rozwiniętych do krajów rozwijających się. Można ocenić że trend ten utrzyma się. Biorąc pod uwagę ograniczenie maksymalnej wielkości jednostek pływających wynikające z określonych możliwości portów oraz kanałów do ich przyjmowania, sytuacja ta powinna przełożyć się na wzrost liczebności floty handlowej. Tym samym przybędzie użytkowników systemów nawigacji morskiej, natomiast ich wykorzystanie stanie się bardziej konieczne ze względów bezpieczeństwa. Techniki satelitarne relatywnie szybko znalazły aplikacje w procesie kierowania ruchem jednostek morskich. Fakt ten nie powinien dziwić zważywszy, że system GPS-Navstar został zaprojektowany, by umożliwić pozycjonowanie łodzi podwodnych podczas startu rakiet balistycznych. W celu oceny zasadności zastosowania GNSS na akwenach wodnych niezbędnym wydaje się wymienienie argumentów za i przeciw wynikających z ogólnych warunków użytkowania w tym sektorze. Wśród decydujących zalet wymienić można: Globalną strefę działania systemów opartych na odbiorze sygnału satelitów na orbitach okołoziemskich kołowych jedynie systemy wspomagania pracują regionalnie i lokalnie. Wykorzystanie jednorodnego układu współrzędnych w całej strefie działania, co wyklucza zagadnienie transformacji i upraszcza interpretację danych lokalizacji. Powodzenie dotychczasowego wykorzystania współrzędnych GPS w różnorodnych rozwiązaniach systemowych m.in. zarządzania ruchem na akwenach ograniczonych, przybrzeżnych i podejść do portów. O ile powyższe cechy są w znacznym stopniu wspólne dla wszystkich rodzajów transportu, pozostałe wyróżniają sektor morski i wodny na ich tle: Niskie wymagania dokładnościowe oraz częstości pozycjonowania na otwartym morzu oraz oceanie. Możliwość implementacji bardziej kosztownych rozwiązań po stronie użytkownika z uwagi na sprzyjającą proporcję wartości nawigowanej jednostki do ceny systemu nawigacyjnego. Sprzyjająca widoczność horyzontu na akwenach wodnych z wyłączeniem lokalnych zastosowań w bliskości konstrukcji portowych i offshorowych oraz części wód śródlądowych. Warunki morskie upraszczają uzyskanie najlepszej możliwej geometrii

82 konstelacji satelitów w danej lokalizacji oraz zmniejszają wpływ błędu wielodrogowości sygnału. Wymagania dotyczące pozycjonowania jedynie na płaszczyźnie poziomej, dla której pomiary satelitarne cechują się wyższą dokładnością. Wyjątkiem od niniejszej reguły są zastosowania inżynierskie i specjalistyczne. Z drugiej strony, konieczność zapewnienia użyteczności systemów nawigacyjnych na całym obszarze, na którym dokonuje się transport wodny wiążę się z ograniczeniami, takimi jak: Konieczność działania we wszystkich szerokościach geograficznych. Żegluga w wysokich północnych szerokościach geograficznych wiąże się z niedostępnością sygnału satelitów geostacjonarnych z uwagi na ich niską wysokość nad horyzontem lub jej brak. Zjawisko to negatywnie wpływa m.in. na użyteczność systemów wspomagania SBAS. Trudność budowy wspomagającej infrastruktury lądowej z uwagi na znaczne odległości między dostępnymi w tym celu lokalizacjami brzegowymi lub na strukturach offshore. Tym samym kluczowym jest wymóg zapewnienia rozległej strefy działania. Wysokie wymagania niezawodnościowe i dokładnościowe dla aplikacji specjalistycznych w zróżnicowanych, niekiedy odległych i mało dostępnych lokalizacjach, np. arktycznych polach offshore. Wyższe wymagania dokładnościowe i niezawodnościowe dla nawigacji jednostek pływających w bliskości konstrukcji portowych i offshore gdzie występuje niekorzystna dla użytkowania systemów GNSS przesłona horyzontu. Wymaganie wysokiej wiarygodności urządzeń użytkownika w dowolnych warunkach pogodowych lub ich redundancji określonej regulacjami, co wynika m.in. z braku możliwości naprawy lub wymiany podczas rejsów pełnomorskich. Ciągły i bardziej znaczący niż w przypadku innych rodzajów transportu wpływ otoczenia (wiatru i falowania) na zmianę pozycji jednostki. Już w momencie określania zalet i ograniczeń wykorzystania systemów GNSS w nawigacji wodnej zauważyć można, że środowisko użytkowania i stawiane wymagania zależą w przypadku żeglugi handlowej od fazy ruchu, natomiast dla aplikacji specjalistycznych od ich rodzaju. Pierwsze z nich na rysunku 26 podzielono na części: Oceaniczną dla której niedostępna jest infrastruktura lądowa, polegająca zatem na rozwiązaniach o zasięgu globalnym lub urządzeniach pokładowych. Akweny

83 definiowane jako oceaniczne rozpoczynają się 50 Mm od brzegu lub bliżej, jeśli ich głębokość przekracza 200 m. Przybrzeżną odbywającą się na akwenach z wyłączeniem powyżej określonych, tj. do 50 Mm od brzegu lub 200 m głębokości. Uwzględnieniu podlega również żegluga odbywająca się obszary ruchu kontrolowanego lub rozgraniczanego oraz działania systemów jego nadzoru. W warunkach Polskich strefa ta cechuje się występowaniem oznakowanych przeszkód nawigacyjnych oraz nasileniem ruchu wynikającym ze zbiegu dróg morskich do portów południowego Bałtyku. W strefie tej możliwe wykorzystanie jest regionalnych systemów wspomagania, m.in. dgnss. Podejścia i wyjścia z portów która ma miejsce w portowych strefach rozgraniczania ruchu. Cechuje się dostosowaniem do lokalnie określanych procedur w celu zmniejszenia ryzyka kolizji z innymi jednostkami oraz przeszkodami nawigacyjnymi występującymi bezpośrednio przy torach podejściowych. Szerokości tych ostatnich wynoszą od 100 do 600 m dla jednostek dużych, w przybliżeniu od 70 do 100 m dla średnich statków oraz ok. 30 m dla małych portów oraz przystani. Możliwe jest w ich obrębie wykorzystanie lokalnych systemów wspomagania nawigacji, np. technik pozycjonowania relatywnego lub RTK. Wód wewnętrznych gdzie występują warunki zwiększające ryzyko tak jak w przypadku podejść i wyjść z portów. Akweny te wyróżnia występowanie jednostek przeznaczonych wyłącznie do żeglugi śródlądowej, cechujących się odmiennym wyposażeniem i wyszkoleniem załóg, w szczególności na jednostkach rekreacyjnych. Do pozostałych użytkowników należą jednostki pełnomorskie poruszające się na portowych wodach zamkniętych. Nawigacja odbywa się z wykorzystaniem oznakowania pływającego i stałego, dostępna jest także wspomagająca infrastruktura lądowa. Wykorzystanie systemów satelitarnych utrudnia natomiast niekiedy ograniczona widoczność horyzontu. Pól instalacji offshore która dotychczas nie była wliczana do głównych faz ruchu statków, a w rezultacie kontynuowania inwestycji dotyczących pól naftowych i farm wiatrowych będzie mieć coraz większe znaczenie w żegludze. Strefa ochronna instalacji morskich tak jak podejścia i wyjścia z portów cechuje się występowaniem regulacji nawigacyjnych i organizacyjnych ograniczających swobodę przemieszczania się, lecz również ryzyko kolizji z występującymi przeszkodami. Na akwenach tych możliwe jest wykorzystanie relatywnych systemów nawigacyjnych, wykorzystujących infrastrukturę dostępną na instalacjach, m. in. transpondery. W bezpośredniej bliskości

84 konstrukcji występują najwyższe wymagania nawigacyjne oraz znaczna przesłona widoczności sfery niebieskiej. Pozostałe rodzaje aktywności ludzkiej na morzu korzystające z systemów nawigacyjnych wymieniono na poniższym diagramie: Rysunek 32: Próba klasyfikacji działalności ludzkiej na obszarach wodnych [na podstawie: Nitner H., Dyrcz C., Specht C., 2012]. Międzynarodowa Organizacja Morska (ang. IMO International Maritime Organization) jest podmiotem odpowiedzialnym na poziomie międzynarodowym za podnoszenie bezpieczeństwa żeglugi prze publikację rekomendacji i wytycznych dotyczących nawigacji w powyżej wymienionych celach i strefach. Zalecenia nakładają obowiązek umieszczenia stosownych wymagań w legislacji krajowej przez zarządzenia Dyrektorów Urzędów Morskich w Gdyni, Słupsku i Szczecinie na rozporządzenia Ministra infrastruktury. Wśród rezolucji IMO dotyczących systemów radionawigacyjnych wymienić można: A.666(16) opublikowana w roku 1984 w celu definicji międzynarodowych procedur dla wykorzystania systemów radionawigacyjnych. Ustala także minimalne wymagania tyczące się odbiorników GNSS, zmieniając tym samym konwencję SOLAS (ang. Safety Of Life At Sea) z 1974 roku. A.529(13) modyfikująca minimalne dokładności w fazie podejścia i wejścia do portu i konieczne do zachowania odległości od niebezpieczeństwa nawigacyjnego

85 A.815(19) i A.529(13) określające wymagania i proces weryfikacyjny systemów GNSS w nawigacji morskiej, uzupełniające tym samym wcześniejszą rezolucję A.666(16). A.860(20) i A.915(22) które w 2001 roku zdefiniowały wymagania stawiane systemom radionawigacyjnym dla aplikacji specjalistycznych, w tym m.in. żeglugi w lodach i automatycznego dokowania. Powyższe dokumenty są podstawą certyfikacji satelitarnych systemów PNT jako globalnych systemów radionawigacyjnych, określanych w skrócie jako WWRNS (ang. World-Wide Radionavigation Systems). W dalszej części przedstawiono minimalne parametry rozwiązań technicznych niezbędne do ich zakwalifikowania. [Nitner H., Dyrcz C., Specht C., 2012] Wymagane parametry użytkowe Zachowanie kompletności opracowania przyjęto 4 wcześniej wymienione plany radionawigacyjne jako źródłowe [FRNP, 2012; ERNS, 2004; Swedish RNP, 2009; WWRNP, 2012], wypisując z nich wszystkie zdefiniowane aplikacje z pominięciem powtórzeń. W tabelach określono źródło każdego z wymagań, z których przyjmowano najbardziej restrykcyjne. W przypadku gdy 2 dokumenty określały jednakową wartość jako dokument źródłowy wybierano nowszy. Jako pierwsze do rozpatrzenia wybrano zastosowania transportowe nawigacji z uwagi na kluczowe znaczenie m.in. w handlu międzynarodowym. Minimalną ciągłość i dostępność systemów stosowanych we wszystkich aplikacjach nawigacyjnych określa World-Wide Navigation Plan opublikowany przez IALA w 2012 r. z ich rozróżnieniem jedynie według obszaru na którym dokonuje się żegluga. Tym samym wymogi te tyczą się większości pozycji w przedstawionych dalej tabelach. Drugim z wartych odnotowania wspólnych kryteriów są limity alarmu horyzontalnego i prawdopodobieństwa alarmu definiowane przez dokumenty European Radio Navigation Services z 2004 r. Zaznaczyć należy, że źródło to jako regulacja jest w fazie rozwoju, a wskazane prawdopodobieństwa mogą, w przeciwieństwie do ogólnie przyjmowanej definicji, być miarą możliwości wystąpienia błędu, nie zaś alarmu. W innym przypadku do zachowania zgodności z niniejszą regulacją niezbędne jest wykorzystanie systemu wspomagania wysyłającego informację wiarygodnościową do użytkowników. Obecnie na akwenach europejskich i polskich jest nim jedynie EGNOS, a w przyszłości dołączą do niego serwisy Galileo: płatny komercyjny oraz ograniczony regulowany publicznie

86 Tabela 16: Zestawienie wymagań nawigacji wodnej żegluga i transport. dokładność abs. wiarygodność Zastosowanie horyzontalna wertykalna czasu prędkości przyspieszenia dostępność częstość poz. HAL VAL TTA prawdopodob. alarmu lub błędu okres prawdopodob. alarmu nieciągłość okres ciągłości strefa działania możliwa technika GNSS jednostka: m m s m/s m/s^2 --- s m m S --- h --- h Nawigacja morska i wodna - min Oceaniczna Oceaniczna - eksploatacja surowców Przybrzeżna ogółem Przybrzeżna - eksploatacja zasobów Podejść do portów - statki ogółem Podejść do portów - eksploatacja surowców Podejść do portów - statki budowlane i inżynieryjne Portowa 1 - Śródlądowa - ogółem Śródlądowa - statki małe i rekreacyjne Budownictwo wód śródlądowych d/u 1.E-05 3 d/u - 3.E globalna jednorodna akweny przybrzeżne i łowiskaregionalna połączona akweny przybrzeżneregionalna połączona Podejścia portów i wody ograniczoneregionalna dyskretna porty - lokalna dyskretna wody śródlądowe - regionalna połączona wody śródlądowe - regionalna połączona wody śródlądowe - regionalna połączona Źródło : ERNS Swedish RNP IALA WWRNP US FRNP GNSS+ EGNOS dgnss+ EGNOS GNSS+ EGNOS GNSS+ EGNOS

87 Poza wspomnianymi wymaganiami przy propozycji techniki satelitarnej możliwej do wykorzystania w danym typie nawigacji kierowano się strefą działania systemu. Tabela 17: Zestawienie wymagań nawigacji wodnej aplikacje specjalistyczne. dokładność abs. wiarygodność Zastosowanie horyzontalna wertykalna czasu prędkości przyspieszenia dostępność częstość poz. HAL VAL TTA prawdopodob. alarmu lub błędu okres prawdopodob. alarmu nieciągłość okres ciągłości strefa działania możliwa technika GNSS jednostka: m m s m/s m/s^2 --- s m m S --- h --- h Operacyjna globalna 1 Holowniki - - lokalna Lodołamacze - - dyskretna 25 Kontrola 10 globalna - - kursu jednorodna Automat. lokalna dokowanie dyskretna Automat. globalna unikanie - - jednorodna kolizji 3.E-03 Koordynacja statek-statek Koordynacja statek-ląd Zarządzanie ruchem lądstatek SAR E Powiadamianie służb - - lokalnych 3.E-03 Koordynacja 1 GMDSS Hydrografia Oceanografia Budownictwo morskie Pogłębianie Układanie przewodów 3 akweny przybrzeżneregionalna połączona globalna jednorodna akweny przybrzeżneregionalna połączona globalna jednorodna regionalna połączona globalna jednorodna E-03 3 różna akweny przybrzeżne i wody śródlądowe - lokalna dyskretna regionalna połączona Źródło : ERNS Swedish RNP IALA WWRNP US FRNP RTK GNSS+ EGNOS RTK dgnss+ EGNOS GNSS+ EGNOS dgnss+ EGNOS RTK+ EGNOS GNSS+ EGNOS RTK lub dgnss+ EGNOS RTK+ EGNOS dgnss+ EGNOS

88 Specjalistyczne aplikacje systemów radionawigacyjnych generalnie cechują się podwyższonymi wymaganiami dokładnościowymi, które dotyczą również pozycji wertykalnej i są niezależne od fazy ruchu jednostki oraz obszaru w jakim się znajduje. Konieczna informacja wiarygodnościowa dotyczy natomiast jedynie alarmów w przypadku błędów wyznaczenia pozycji horyzontalnej. Większość niniejszych wymagań została określona przez ERNS. Wyższą minimalną dostępność wykorzystywanych serwisów określił Światowy Plan Radionawigacyjny IALA. Dokument ten stanowi również źródło wymogów ciągłości działania systemów we wszystkich działalnościach, w których dokonywane jest kierowanie ruchem jednostki, nie zaś statyczne pozycjonowanie dokonywanych operacji. Niezależnie od pozostałych miar, niezbędna w wielu przypadkach decymetrowa lub lepsza dokładność wyznaczeń 3D osiągnięta może być w technikach satelitarnych jedynie z wykorzystaniem pomiarów fazowych RTK. Wśród zastosowań kolejnej kategorii portowej i offshorowej umieszczono te z aplikacji specjalnych, które zachodzą w bliskości brzegu lub stałych struktur nawodnych. Wyróżnia je możliwość wystąpienia niekorzystnego dla technik satelitarnych przesłonięcia horyzontu, z drugiej strony jednak występuje możliwość korzystania z zamontowanej na stałe infrastruktury, tj. stacji referencyjnych bądź transponderów dla pozycjonowania relatywnego. Zauważyć należy, że przyszłe wykorzystanie wielu systemów GNSS przez odbiorniki zapewni redundancję segmentów kosmicznych i naziemnych oraz umożliwi użytkownikowi wybór konstelacji o najlepszej geometrii w danych warunkach widoczności sfery niebieskiej. Przewidywać można, że operacyjność GPS, GLONASS, Galileo i BDS znacznie zwiększy wiarygodność nawigacji w bliskości instalacji brzegowych i offshorowych, której obecny, niski poziom skłania do stosowania rozwiązań lokalnego pozycjonowania, wymienionych w następnym rozdziale. Zapewnienie przez odbiornik satelitarny nadmiarowej informacji pozycyjnej podwyższy jej niezawodność, co powinno umożliwić dalszą automatyzację procedur podejściowych. Nadmienić należy, że satelitarne dane pozycyjne w wymienionych aplikacjach najczęściej są wykorzystywane równolegle z tymi dostępnymi z systemów działających na innych podstawach. Użycie odbiorników GNSS nie wypiera zatem pozostałych rozwiązań, które działając synergicznie m.in. w dynamicznym pozycjonowaniu jednostek (ang. DP Dynamic Positioning) wzajemnie potwierdzają poprawność danych uzyskiwanych różnymi metodami

89 Tabela 18: Zestawienie wymagań nawigacji wodnej aplikacje portowe i offshorowe dokładność abs. wiarygodność Zastosowanie horyzontalna wertykalna czasu prędkości przyspieszenia dostępność częstość poz. HAL VAL TTA prawdopodob. alarmu lub błędu okres prawdopodob. alarmu nieciągłość okres ciągłości strefa działania możliwa technika GNSS jednostka: m m s m/s m/s^2 --- s m m S --- h --- h Prace konstrukcyjne Zarządzanie pomocami nawig. Operacje portowe Lokalne VTS E E-03 3 lokalna dyskretna regionalna połączona porty - lokalna dyskretna akweny przybrzeżne - lokalna dyskretna dgnss+ EGNOS dgnss+ EGNOS dgnss+ EGNOS Operowanie lokalna RTK ładunkiem dyskretna Zarządzanie lokalna ładunkiem dyskretna Śledzenie globalna ładunku jednorodna Egzekwowanie prawa dyskretna lokalna Szacowanie strat - ocean globalna i wody jednorodna przybrzeżne 1 1.E-05 3 Szacowanie 25 strat - podejścia regionalna do portów połączona i wody ograniczone Eksploracja 10 pole offshore i produkcja E-03 - regionalna offshorowa 1 Eksploracja i wiercenia pole offshore E-03 szacunkowe regionalna (appraisal) Rozwój pola, wsparcie pole offshore E-03 produkcji i - regionalna zakończenie Zastosowania globalna podwodne jednorodna Operacje brzeg konstrukcji E E-05 1 lokalna brzegowych dyskretna Źródło : ERNS Swedish RNP IALA WWRNP US FRNP dgnss+ EGNOS GNSS+ EGNOS dgnss+ EGNOS RTK+ EGNOS GNSS+ EGNOS

90 Obecne i możliwe rozwiązania nawigacyjne Mimo globalnej, jednorodnej co do systemu współrzędnych i serwisów dostępności systemów GNSS zauważyć należy, że różnicowe i fazowe pomiary satelitarne mogą być realizowane jedynie w zasięgu przekaźników radiowych fal średnich MF lub telefonii komórkowej GSM. Strefa ich działania jest jednak systematycznie powiększana przez rozbudowę i modernizację infrastruktury. Poniżej przedstawiono obszary dostępności nawigacji satelitarnej oraz porównywalnych rozwiązań. Rysunek 33: Strefa działania technik precyzyjnego pozycjonowania satelitarnego oraz relatywnego [na podstawie IALA WWRNP, 2012]. W Polsce w latach dokonano prac modernizacyjnych obejmujących wymianę nadajników MF i odbiorników GPS stacji w Dziwnowie i Rozewiu w celu dostosowania ich działania do wytycznych enavigation opracowanych przez IMO. Działania podjęto w ramach projektu EfficienSea (ang. Efficient, Safe and Sustainable Traffic at Sea Wydajny, Bezpieczny i Zrównoważony Ruch na Morzu) będącego częścią program INTERREG. Jest to skoordynowana inicjatywa 16 organizacji z 6 krajów regionu Morza Bałtyckiego w celu poprawienia bezpieczeństwa żeglugowego. W roku 2013 Urząd Morski w Gdyni kontynuował działania usprawniające DGPS-PL przez ogłoszenie przetargu na niezależny system monitorujący. Obejmował on dostarczenie dwuczęstotliwościowych zestawów pomiarowych wraz z urządzenia GSM, routerami, switchami, przenośnymi urządzeniami nadzorującymi pracę systemu i oprogramowaniem przekazującym parametry wiarygodnościowe

91 monitorowanych sygnałów. Ponadto w Porcie Północnym w Gdańsku oraz w Świnoujściu odbywać się będzie generowanie i udostępnianie przez przekaźnik GSM poprawek fazowych. Stacje te analizować będą poprawki pochodzące z pojedynczych nadajników DGPS, natomiast trzecia w Jarosławcu monitorować będzie oba sygnały. Infrastruktura ta w przyszłości umożliwić może przekazywanie informacji wiarygodnościowej niezbędnej do spełnienia wymagań dotyczących limitów przestrzennych i czasowych alarmu (LTA i TTA). Jej schemat przedstawiono poniżej: Rysunek 34: Schemat blokowy połączenia elementów systemu monitorującego z DGPS-PL.[Urząd Morski w Gdyni, 2012] Dodatkową techniką satelitarną, znajdującą się obecnie w fazie dynamicznego rozwoju jest Precyzyjne Pozycjonowanie Punktu (ang. PPP - Precise Point Positioning), które umożliwia pomiar z redukcją błędu zegara oraz efemeryd orbit w oparciu o poprawki udostępniane globalnie przez konstelację satelitów geostacjonarnych. Ich wyznaczeniu służy sieć stacji obserwacyjnych rozmieszczonych w przybliżeniu równomiernie na całym świecie, co odróżnia systemy PPP od innych rozwiązań SBAS takich jak WAAS, GAGAN, MSAS lub EGNOS. Oprócz wcześniej wymienionego systemu Starfire firmy Navcom oraz Deere & Co. wartymi odnotowania przykładami są OmniSTAR pierw firmy Fugro, a obecnie Trimble, oraz TERRASTAR firmy Veripos. Kolejną różnicą jest zorientowanie wymienionych rozwiązań prywatnych na podwyższanie osiągów dokładnościowych, nie zaś jak w przypadku

92 systemów narodowych czy też europejskiego na podwyższenie wiarygodności i jej monitorowanie. Dostawcy prywatni nie zapewniają również darmowych serwisów, a co więcej, wymagają wyższej stawki od użytkowników morskich. Rosnąca liczba użytkowników wynika głównie z oferowania wsparcia pomiarów do dokładności metrowej, decymetrowej lub nawet do ok. 4 cm w poziomie w przypadku serwisów firmy Trimble. Ponadto zasięg sygnału wykorzystywanych satelitów geostacjonarnych jest większy niż dowolnej różnicowej sieci lądowej. Jak już wspomniano dane satelitarne pozycji wykorzystywane są nie tylko w podstawowej formie nawigacji, ale także w jej zautomatyzowanej formie, tj. dynamicznym pozycjonowaniu. Zauważyć należy że system ten, integrujący sensory statku z jednostką obliczeniową i pędnikami, nie jest już wykorzystywany jedynie do utrzymywania danej pozycji, lecz znajduje zastosowanie przy kierowaniu ruchem w aplikacjach precyzyjnych, takich jak chociażby układanie przewodów. Wartym podkreślenia jest bieżący rozwój technologii wykorzystywanych na promach, statkach pasażerskich czy też offshorowych przez systemy DP m.in. zintegrowanych pędników azymutalnych (Azipodów). Asymilacja danych do systemu sterowania odbywa się przez zastosowanie filtru Kalmana, tj. przez iteracyjne posłużenie się średnią ważoną kowariancją wskazań poprzedniego stanu i aktualnych pomiarów w celu stworzenia modelu ruchu statku i najlepszego przybliżenia obecnej pozycji z wykluczeniem wpływu białego szumu. Dzięki uwzględnieniu wpływu pomiarów na wyznaczoną pozycję proporcjonalnie do ich niezawodności możliwa jest równoległa implementacja rozwiązań innych niż satelitarne, takich jak: eloran zmodernizowana, cyfrowa wersja hiperbolicznego systemu pozycjonowania radiowego Loran, różniąca się od Loran-C dodatkowym pasmem danych na nadawanym sygnale. Moc impulsów wysyłanych z masztów stacji naziemnych jest ok razy większa od mocy sygnału GPS, przez co system jest dużo trudniejszy do zakłócenia, a ewentualne interferencje są łatwe do zidentyfikowania. eloran przedstawiany jest jako system zapasowy wobec GNSS, pełniący podobną funkcję w przypadku zakłóceń działania satelitów. Wykorzystywane są stacje naziemne pozostałe po wcześniejszym rozwiązaniu, Loran-C. eloran spełnia wymagania nieprecyzyjnych podejść lotniczych NPA, żeglugi oceanicznej, przybrzeżnej oraz podejść do portu, nawigacji lądowej pojazdów oraz usług zależnych od lokalizacji. W 2014 roku w rejonie Europortu w Rotterdamie przetestowano również wersję różnicową edloran, opracowaną by spełnić wymóg 5-metrowej dokładności wymaganej w tamtejszej nawigacji portowej. Założenie to zostało spełnione przy

93 wykorzystaniu połączenia internetowego udostępnianego przez sieć istniejących przekaźników telefonii komórkowej bez potrzeby dodatkowej rozbudowy infrastruktury [Van Willingen D., Kellenbach R., Dekker C., Van Buuren W., 2014]. Wartości kryteriów porównawczych systemu zamieszczono poniżej. Rozwiązaniem tym zainteresowana jest m.in. Korea Południowa z uwagi na celowe zakłócanie sygnału GPS przez północnego sąsiada. Tabela 19: Parametry użytkowe systemu eloran (gdzie brak danych oznaczono b/d). Dokładność P(0.95) Wiarygodność System Horyzontalna (2D) Wertykalna Strefa działania Dostępność Limit do alarmu Czas do alarmu Prawdopodob. alarmu Nieciągłość jednostka: m m - % m S ---/s ---/s eloran edloran 5 -- Regionalna połączona Lokalna dyskretna / 150 b/d b/d b/d Systemy inercyjne MRU (ang. Motion Reference Unit), VRU (ang. Vertical Reference Unit) bądź VRS (ang. Vertical Reference Sensor) samodzielne sensory przekazujące dane dotyczące 6 ruchów statku wzdłuż 3 osi: nurzania, oscylacji poprzecznych i wzdłużnych, kiwania, myszkowania i kołysania. Pierwsze trzy z nich zachodzą liniowo, zatem przyjmują wartości w jednostkach długości, dalsze trzy natomiast dotyczą pochylenia jednostki. DARPA (ang. Defense Advanced Research Projects Agency) 5 czerwca 2014 r. zleciła korporacji Northrop Grumman dokończenie prac nad zminiaturyzowaną jednostką atomowego pozycjonowania bezwładnościowego. Dotychczas systemy inercyjne pozostają stosowane jedynie do określania krótkich przemieszczeń obiektów z racji na kumulowanie błędów wyznaczeń w czasie przy braku aktualizacji pozycji z zewnętrznego systemu. Systemy inklinometryczne lekkiej napiętej liny (ang. light taut wire) działające na podstawie pomiaru kąta odchylenia obciążonej liny od pionu były rozwiązaniem zastosowanym w pierwszym statku uznawanym za dynamicznie pozycjonowany

94 Niewątpliwą zaletą tej techniki jest niezależność od infrastruktury poza statkiem, natomiast do jej ograniczeń należy niepewne działanie na wodach o głębokościach mniejszych bądź wyższych niż w specyfikacji, gdzie występować mogą prądy morskie zakłócające wskazania sensora. Urządzenie ponadto jest jednym z większych i cięższych montowanych w celu pozycjonowania statków z uwagi na wagę obciążnika i przestrzeń niezbędną dla wyciągarki liny. Systemy akustyczne: Ultrakrótkiej linii bazowej (ang. USBL Ultra Short Base Line) złożony z nadajnikaodbiornika z przynajmniej trzema transduktorami oddalonymi o ok. 10 cm od siebie, montowanego na statku oraz transpondera lub respondera na dnie morskim. Z urządzenia na kadłubie nadawany jest sygnał dźwiękowy, po którego odebraniu drugie, z przypisanymi współrzędnymi, odpowiada. Odległość szacowana jest na podstawie opóźnienia odbioru odpowiedzi, natomiast kierunek na cel wyznaczany jest przez różnicowanie fazy fali akustycznej między transduktorami. Krótkiej linii bazowej (ang. SBL Short Base Line) - w przeciwieństwie do powyższej techniki SBL nie wykorzystuje transponderów, lecz przynajmniej trzy nadajnikoodbiorniki umieszczane w bezpośredniej bliskości jednostki pływającej. Wadą tego rozwiązania jest zależność dokładności pozycjonowania od długości linii bazowej między urządzeniami, podczas gdy USBL oferuje stały przewidywalny błąd wyznaczeń. Z tego względu metoda SBL wykorzystywana jest głównie na większych jednostkach. Długiej linii bazowej, (ang. LBL Long Base Line) wyróżniająca się wykorzystaniem montowanej na dnie sieci przynajmniej trzech transponderów w rejonie operacji. Umieszczenie przekaźników wokół badanego w zanurzeniu obiektu umożliwia uzyskanie znacznie lepszej geometrii wyznaczenia i dokładności od metra do kilku centymetrów. Laserowe systemy relatywne: Fanbeam - urządzenie operujące na zasadzie dalmierza laserowego z jednoczesnym śledzeniem wielu obiektów luster referencyjnych umieszczanych na konstrukcji względem której dokonywana jest nawigacja. Na uzyskiwaną dokładność ok. 20 cm tak jak w innych lokalnych rozwiązaniach referencyjnych ma wpływ układ geometryczny sensora i znaczników, które powinny być umieszczone możliwie daleko, w widocznych punktach charakterystycznych konstrukcji. Zasięg pomiaru producent, firma Renishaw, określa na 2 km. Z uwagi na wykorzystanie lasera jest on ograniczany przez przejrzystość powietrza

95 Cyscan konkurencyjne rozwiązanie firmy Guidance Navigation Ltd wykorzystujące obrotową głowicę skanującą, w przeciwieństwie do statycznej na serwomotorach jak w przypadku Fanbeam. Przewagą tego rozwiązania jest możliwość pozycjonowania w oparciu o znaczniki umieszczone po przeciwnych stronach urządzenia. Rozdzielczość wyznaczenia odległości producent określa na 8.5 mm, natomiast zasięg operacyjny od 10 do 2500 m. Jako punkty referencyjne służą przylepne tarcze odblaskowe. Nadmienić należy, że systemy laserowe cechują się niebezpieczeństwem fałszywej identyfikacji różnych powierzchni odblaskowych jako znaczników. Może być to częsty problem na konstrukcjach offshorowych, gdzie noszone są kamizelki odblaskowe i występują metalowe płaszczyzny. Ponadto, cienie i silne światło np. w porach nocnych, porannych i wieczornych potrafi zakłócać pracę dalmierzy. Radarowe systemy relatywne RADius dokonujący interferometrycznego pomiaru odległości do transponderów na konstrukcji system działający do odległości ok. 550 m. Dokładność pozycji zależna jest od rodzaju zastosowanych urządzeń referencyjnych, których zasilanie może być stałe lub bateryjne i działają pod każdym kątem. Sensor systemu posiada pole widzenia 90º i jest montowany permanentnie bez możliwości manipulacji. Radascan system skanujący firmy Guidance Navigation Ltd operujący w zakresie 360º od 10 do 1000 m od responderów. Dokładność wyznaczeń jest zależna od odległości pomiaru i wynosi przy 1rms [P(0.65)] 25 cm do 600 m dystansu i 50 cm do 1000 m. Dołączone oprogramowanie umożliwia śledzenie do 4 znaczników jednocześnie, co podejmowane jest automatycznie po odebraniu odpowiedzi. Systemy RADius i Radascan dokonują identyfikacji punktów referencyjnych, przez co uniknięto problemu wykrywania fałszywych znaczników. Ponadto, wykorzystanie pasma radarowego pozwala na działanie niezależnie od warunków oświetleniowych i przejrzystości powietrza, natomiast należy kontrolować pozostałe systemy radarowe mogące zakłócać pracę sensorów. Artemis - system radarowy o zasięgu do 30 km kilometrów instalowany na konstrukcjach offshore oraz jednostkach do nich podchodzących. Z uwagi na możliwość wyznaczenia kierunku na cel z wykorzystaniem obracającej się anteny możliwe jest określenie pozycji z tylko 1 punktem referencyjnym. Od pozostałych rozwiązań system ten odróżnia również dokonywanie montażu dostosowanego do danego zlecenia pozostałe urządzenia oferowane są w gotowych do instalacji zestawach

96 Podsumowując, morska nawigacja satelitarna była dotychczas z sukcesem wykorzystywana, a jej działanie wzajemnie uzupełniało się z innymi systemami. Znaczny wzrost parametrów eksploatacyjnych spowodowany osiągnięciem operacyjności przez Galileo oraz BDS jak również modernizacja GPS i systemów wspomagających umożliwi je wykorzystać m.in. w bliskości konstrukcji portowych i offshorowych, do których podejście wymagało do tej pory stosowania lokalnych rozwiązań relatywnych. W porównaniu do innych rozwiązań nawigacyjnych systemy GNSS cechuje większa uniwersalność i mniejsza podatność na zmianę warunków działania, co czyni ich stosowanie bardziej ekonomicznym. Dalsze ujednolicenie światowych standardów dotyczących wspomagania satelitarnej nawigacji przybrzeżnej i portowej umożliwi zwiększenie automatyzacji procedur, co ma bezpośrednie przełożenie na bezpieczeństwo i wydajność ruchu morskiego Nawigacja powietrzna Charakterystyka segmentu Dokładną definicję nawigacji lotniczej, czy też powietrznej podaje Federalny Plan Radionawigacyjny określając ją jako proces pilotowania statku powietrznego z miejsca początkowego do celu, który uwzględnia wyznaczanie położenia, orientacji przestrzennej, kursu, pozostałej do przebycia odległości i odchylenia względem ustalonej trasy [FRNP, 2012]. O uznawaniu kierowania ruchem obiektu w powietrzu za najbardziej złożony rodzaj nawigacji poza mnogością szacowanych na bieżąco wartości decydują również inne czynniki. Wymienić wśród nich można: konieczność ciągłego określania pozycji w trójwymiarowej przestrzeni, nie zaś na płaszczyźnie jak w pozostałych przypadkach, wysoką dynamikę prędkość i przyspieszenie kierowanej jednostki, znaczną zmienność warunków zewnętrznych, tj. siły i kierunku wiatru oraz temperatury, wilgotności i ciśnienia atmosferycznego, wpływających na pracę maszyny i sensorów pokładowych, mnogość podprocesów dotyczących sterowania wieloma systemami utrzymującymi parametry ruchu obiektu na określonym poziomie,

97 częste operowanie w warunkach ograniczonej lub braku widoczności, przez co decyzje pilotów przy operacyjności systemów pokładowych opierają się jedynie na wskazaniach instrumentów i są ich wypadkową. Ponadto można wyróżnić warunki użytkowania systemów GNSS specyficzne dla zastosowań lotniczych: prawie brak przesłon terenowych i bardzo dobrą widoczność sfery niebieskiej, operowanie na znacznych wysokościach, ułatwiające odbiór sygnałów z satelitów geostacjonarnych i nisko nad horyzontem, wymagany globalny zasięg systemów nawigacyjnych z uwagi na trasy niekiedy oddalone od terenów zamieszkałych, m. in. w obszarach arktycznych i subarktycznych, możliwość korzystania z infrastruktury lądowej bliskiego zasięgu ograniczona głównie do fazy podejścia do lądowania i lądowania, konieczność zachowania bardzo wysokiej wiarygodności wyznaczeń pozycji w początkowej i końcowej części lotu. Jak wspomniano powyżej, wymagania nawigacji lotniczej zależą w największej mierze od bieżącej fazy lotu. W lotnictwie cywilnym rozróżniane są operacje lotnicze takie jak: lot po trasie i w terminalu, podejście początkowe i do lądowania oraz odlot po starcie [Banaszek K., 2005]. Pierwsza z nich, trasowa, najczęściej zajmuje największą część czasu podczas pokonywania danego odcinka i jest najmniej wymagająca wobec systemów radionawigacyjnych. Do zadań pilotów należy kierowanie ruchem jednostki tak, by w określonym czasie statek powietrzny mijał wyznaczone punkty orientacyjne (ang. waypoints) zachowując odpowiednie parametry lotu. System GPS od swojego powstania spełniał wymagania tej fazy poruszania się. Najbardziej restrykcyjne wymagania tyczą się podejścia do lądowania i lądowania, gdzie należy upatrywać dalszego rozwoju aplikacji GNSS w celu zastąpienia kosztownych w utrzymaniu instalacji naziemnych. Utrzymanie ciągłości działania systemu i niezawodności jego wyznaczeń jest niezbędne w ostatniej fazie lotu, przez co dotychczas wykorzystanie pomiarów satelitarnych ograniczało się do kodowych technik różnicowych dgps ze wspomaganiem transmisją telemetryczną o wysokiej przepływowości bitowej łącza. Nadrzędnym kryterium podziału nawigacji powietrznej jest utrzymywanie widzialności powierzchni ziemi, dzielącej zasady sterowania ruchem na wizualne VFR (ang. Visual Flight Rules) oraz instrumentalne IFR (ang. Instrument Flight Rules). Pierwsza z nich dokonywana jest w oparciu o odniesienie do obiektów na powierzchni na poziomie lotu (ang. flight level)

98 niższym niż powierzchnia baryczna Fl-180 oraz jedynie przy określonych warunkach meteorologicznych i widzialności VMC (ang. Visual Meteorological Conditions). Wykluczone jest np. przelatywanie przez chmury. Wykorzystywanie tego rodzaju nawigacji ogranicza się do celów turystycznych i prywatnych. Druga z wymienionych, IFR, polega na prowadzeniu statku powietrznego wzdłuż danej trajektorii niezależnie od zewnętrznej referencji, jedynie w oparciu o wskazania instrumentów pokładowych. W jej ramach wykonywane są pozostałe loty dalekodystansowe i w celach innych niż komunikacyjne, których rodzaje zostały wymienione poniżej: Rysunek 35: Próba podziału najważniejszych użytkowników przestrzeni powietrznej [na podstawie Nitner H., Dyrcz C., Specht C., 2012]. Obowiązek regulacji powyżej przedstawionego sektora lotniczego spoczywa na organizacjach rządowych i międzynarodowych, takich jak: ICAO (ang. International Civil Aviation Organization) Organizacja Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego powołana w 1944 roku rozpoczęła działalność 3 lata później jako jedna z wyspecjalizowanych agend Organizacji Narodów Zjednoczonych. Do jej zadań należy definiowanie norm międzynarodowych i rekomendacji dotyczących ułatwień, bezpieczeństwa oraz ochrony środowiska w lotnictwie cywilnym, promowanie liberalizacji transportu lotniczego, sporządzanie analiz rynku, rozwój prawa międzynarodowego oraz funkcje badawcze, nadzorcze i kontrolne. ICAO zrzesza 191 państw, a podstawą jej działania

99 jest Konwencja o międzynarodowym lotnictwie cywilnym sporządzona 7 grudnia 1944 roku, znana z tego względu również jako konwencja chicagowska. FAA (ang. Federal Aviation Administration) Federalna Administracja Lotnictwa będący agencją Ministerstwa Transportu Stanów Zjednoczonych organ nadzoru lotniczego regulujący wszystkie aspektu ruchu lotniczego w USA. Można wśród nich wymienić: regulację systemu komercyjnego transportu, systemu kontroli standardów lotu i przepisów nawigacyjnych, rozwijanie nowych technologii lotniczych, certyfikacja pilotów, obsługa oraz rozwój kontroli ruchu lotniczego, badania wpływu lotnictwa na środowisko oraz rozwój Systemu Krajowej Przestrzeni Powietrznej. Powołana Federalną Ustawą o Lotnictwie z 1958 roku pod nazwą Federal Aviation Agency, przemianowana została 8 lat później wraz z włączeniem do Ministerstwa Transportu. JAA (ang. Joint Aviation Authorities) Złączone Władze Lotnicze, które w przybliżeniu stanowią odpowiednik FAA w Unii Europejskiej, zrzeszając organizacje nadzorujące ruch lotniczy w państwach członkowskich oraz stowarzyszonych. Celem JAA było ujednolicenie standardów dotyczących bezpieczeństwa w lotnictwie, natomiast publikowane standardy miały formę dobrowolnych rekomendacji. JAA jako Joint Airworthiness Authorities powstała w roku 1970 jako organ certyfikujący większe statki powietrzne i silniki lotnicze. W roku 1987 rozszerzono certyfikację o wszystkie jednostki lotnicze, natomiast od roku 2003 jej obowiązki stopniowo przejmuje EASA, w której skład JAA zostało włączone. Tym samym wcześniejsi członkowie organizacji spoza Unii Europejskiej zostali przeniesieni do EASA bez prawa głosu lub odrzuceni w ramach ustalonych procedur. EASA (ang. European Aviation Safety Agency) Europejska Agencja Bezpieczeństwa Lotniczego z siedzibą w Kolonii w Republice Federalnej Niemiec, która rozpoczęła działalność w 2003 roku i funkcjonuje według ustaleń Rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 216/2008 z dnia 20 lutego 2008 r. w sprawie wspólnych zasad w zakresie lotnictwa cywilnego i utworzenia Europejskiej Agencji Bezpieczeństwa Lotniczego. Regulacje wydawane przez EASA w przeciwieństwie do wcześniejszych, publikowanych przez JAA mają moc prawną na obszarze Unii Europejskiej i w państwach stowarzyszonych. Do zadań EASA należy utrzymywanie jednolitego, wysokiego poziomu bezpieczeństwa lotniczego i stanu środowiska w Europie, promowanie rentowności, eliminacja powielania regulacji na poziomie krajowym i europejskim, ułatwienie przepływu usług, osób i towarów, udzielanie członkom pomocy w wypełnianiu postanowień konwencji chicagowskiego, zapewnienie równych szans podmiotom rynku lotniczego, utrzymywanie kontaktu z pozostałymi organizacjami kontrolującymi ruch lotniczy oraz ustalenie jednolitej interpretacji przepisów. Nadmienić

100 należy, że certyfikaty bezpieczeństwa wydany w dowolnym państwie członkowskim Agencji jest ważny w całej Unii Europejskiej oraz innych państwach należących do EASA. Rzeczpospolitą Polską w EASA reprezentuje Urząd Lotnictwa Cywilnego. EUROCONTROL (ang. European Organisation for the Safety of Air Navigation) Europejska Organizacja na rzecz Bezpieczeństwa Nawigacji Powietrznej jest organizacją międzynarodową zajmującą się większością zagadnień związanych z zarządzaniem ruchem lotniczym. Założona została w 1960 roku, natomiast Wspólnota Europejska jako całość została włączona w jej skład w roku 2002, a Polska 1 września Wśród zadań należy wymienić: prowadzenie Centrum Kontroli Obszaru Górnego Maastricht, Centrum Opłat Dróg Centralnych, wspomaganie Komisji Europejskiej, EASA i urzędów państw członkowskich, koordynacja ruchu cywilnego z militarnym w Europie, prowadzenie badań i działalność rozwojowa m.in. w zakresie prac nad Jednolitą Europejską Przestrzenią Powietrzną (ang. SES Single European Sky). PAŻP Polska Agencja Żeglugi Powietrznej (ang. Polish Air Navigation Services Agency PANSA) jest państwowym organem zarządzania ruchem lotniczym powołanym 1 kwietnia 2007 roku i podległym Ministerstwu Infrastruktury i Rozwoju. Do jego zadań należy zarządzanie przestrzenią powietrzną i przepływem ruchu lotniczego oraz zapewnienie służb ruchu lotniczego. W przestrzeni niekontrolowanej Agencja dodatkowo zapewnia służbę informacji powietrznej FIS (ang. Flight Information Service). PAŻP ponadto jest odpowiedzialny za utrzymanie infrastruktury telekomunikacyjnej i nawigacyjnej w stanie używalności. Organizacja zatrudnia także ok. 600 kontrolerów ruchu lotniczego, będąc ich wyłącznym pracodawcą w Polsce. Agencja ustala i pobiera trasowe i terminalowe opłaty nawigacyjne, które są zgłaszane do Eurocontrol celem zaaprobowania. Ich wysokość w Polsce w 2013 roku należała do jednych z najniższych w Europie. ULC Urząd Lotnictwa Cywilnego stanowiący jednostkę państwową do obsługi Prezesa Urzędu Lotnictwa Cywilnego, który stanowi organ administracji centralnej właściwy do spraw lotnictwa cywilnego. Prezes podlega Ministerstwu Infrastruktury, jest wykonawcą nadzoru lotniczego i sprawuje władze lotniczą w rozumieniu umów międzynarodowych. Do kompetencji tej instytucji, ustanowionej w 2002 roku należą wszelkie kwestie związane z lotnictwem cywilnym poza zastrzeżonymi w ustawach i umowach na rzecz innych organów administracji publicznej. Prezes także zobowiązany jest wydawać Dziennik Urzędowy ULC. Regulacje dotyczące działania bezzałogowych statków powietrznych, tzw. dron nie zostały oddzielnie ujęte w niniejszym opracowaniu ze względu na ich obecny dynamiczny rozwój i szybką dezaktualizację obecnej legislacji. W USA do końca 2013 roku jedynie

101 stanów wdrożyło prawa regulujące wykorzystanie UAV, a 11 uchwaliło rezolucje dotyczące podjęcia prac celem ich zdefiniowania. Kwestia wymagań eksploatacji systemów nawigacyjnych w pozostałych jednostkach podjęta została w następnym dziale Wymagane parametry użytkowe Dalszy rozwój aplikacji systemów satelitarnych w lotnictwie wymaga spełnienia parametrów eksploatacyjnych, dzięki którym będą mogły być one wykorzystane w najbardziej wymagającej fazie ruchu jednostek latających, czyli lądowaniu i podejściu do niego. ICAO rozróżnia następujące rodzaje procedur podejściowych: Precyzyjne PA (ang. Precision Approach), do których wykonania niezbędne są systemy infrastruktury lotniskowej takie jak radiowy ILS (ang. Instrumental Landing System) lub jego zmodernizowany, mikrofalowy odpowiednik MLS (ang. Microwave Landing System). Celem ich eksploatacji jest prowadzenie nawigacji wertykalnej oraz bocznej (lateralnej) wobec ustalonej ciągłej ścieżki podejścia. Koszt założenia i eksploatacji systemu ILS wynosi ok. 4 miliony złotych w ciągu roku, przez co podejmowane są prace nad jego bardziej ekonomicznymi substytutami. ICAO dzieli podejścia precyzyjne na kategorie I, II, III z podkategoriami A, B oraz C w przypadku ostatniej z nich. Tabela 20: Kategoryzacja precyzyjnych podejść do lądowania wg ICAO, FAA i JAA [na podstawie Airbus Industrie, 2001], jednostki przeliczone wg dopuszczalnej tolerancji ICAO. Kategoria operacji CAT I CAT II CAT III A CAT III B CAT III C Organizacja ICAO, FAA, JAA ICAO FAA JAA ICAO, FAA JAA ICAO, FAA JAA ICAO, JAA, FAA Wysokość wzgl. decyzji DH 60 m 60 m > DH 30 m < 30 m lub brak < 30 m < 15 m lub brak Widzialność wzdłuż drogi startowej RVR 550 m (lub 365 m na niektórych lotniskach) 350 m 800 m > RVR 350 m 300 m Widzialność ogólna 800 m m m > RVR 50 m 200 m > RVR 75 m Brak Brak

102 Wykonanie zdefiniowanych w ich ramach procedur wymaga odmiennych parametrów eksploatacyjnych systemów nawigacyjnych i uzależnione jest od warunków widzialności wymienionych w tabeli 20. Ponadto, jeśli warunki DH (ang. Decision Height) oraz RVR (ang. Runway Visual Range) przypadają do dwóch różnych kategorii następuje wybór tej o wyższym numerze, tj. procedury bardziej restrykcyjnej. Niniejszą zależność zilustrowano poniżej: Rysunek 36: Dobór kategorii lądowania precyzyjnego jako funkcja DH i RVR. Podejścia nieprezycyjne NPA (ang. Non-Precision Approach), gdzie wykorzystywane są systemy naprowadzania typu NDB, VOR oraz DME by sprowadzić samolot do punktu w którym pas lądowania jest widoczny i lądowanie może zostać samodzielnie wykonane. Eksploatowana infrastruktura nie oferuje nawigowania pionowego VNAV (ang. Vertical Navigation), przez co podejścia podejmowane są wieloetapowo z każdorazowym ustaleniem poprawności położenia jednostki. Podejścia RNAV (ang. area navigation) nawigacji obszarowej wykorzystujące systemy GNSS ze wspomaganiem różnicowym i opisywane jako zbiór punktów orientacyjnych, łączników i ograniczeń prędkości i wysokości zapisywane w pamięci nawigacji pokładowej. Wymagania dotyczące tego, najmłodszego typu podejść mieszczą się pomiędzy określonymi dla NPA i PA. Wyróżnia się następujące podkategorie podejść RNAV: APV (ang. Approach Procedure with Vertical Gugidance) Baro-VNAV, które w celu prowadzenia pionowego jednostki wykorzystuje wysokościomierz barometryczny będący częścią systemu zarządzania lotem (ang. FMS Flight Management System) samolotu. Większość używanych obecnie samolotów firm Boeing i Airbus posiada urządzenia tego typu. Przy podejściu Baro-VNAV stosowane są wymagania

103 LNAV/VNAV dotyczące minimów nawigacji lateralnej i wertykalnej. Funkcję lokalizacji 2D wypełnia zintegrowany z nawigacją pokładową odbiornik GNSS. APV SBAS I i II, które korzystają z systemu WAAS w Stanach Zjednoczonych oraz EGNOS w Europie, by zapewnić nawigację lateralną względem ścieżki podejścia o dokładności porównywalnej z ILS. Nawigacja pionowa również jest prowadzona, zachodzi natomiast w odniesieniu do geometrycznie wyznaczonej trasy, nie natomiast w oparciu o wysokość barometryczną jak w pozostałych procedurach. Do zastosowania procedur niezbędne jest spełnienie minimów LPV (ang. Localizer Performance with Vertical Guidance), które są obecnie najwyższymi dla wykorzystania systemów GNSS nie wymagającymi specjalnego przeszkolenia załogi. Już 15 stycznia 2009 roku liczba podejść APV z wykorzystaniem WAAS w Stanach Zjednoczonych przekroczyła wg FAA liczbę tych wykonanych w I kategorii ILS. RNAV NPA polegający na wykorzystaniu systemów GNSS wspomaganych systemem pokładowym ABAS (ang. Aircraft Base Augmentation System) do umieszczenia jednostki w pozycji umożliwiającej lądowanie nieprecyzyjne i cechujący się najniższymi wymaganiami w niniejszej kategorii, tj. LNAV. W ramach tej podkategorii nie wykonywana jest nawigacja pionowa. Wymagania względem systemów radionawigacyjnych, w tym GNSS dla omówionych powyżej etapów lotu i procedur przedstawiono w tabeli 21. Zaobserwować można, że wcześniej wymienione źródłowe plany radionawigacyjne, przede wszystkim European Radio Navigation Services i Szwedzki Plan Radionawigacyjny wymieniają wymagania zawyżone wobec tych ustalonych przez ICAO. Poza fazami ruchu wymieniono także wymogi dotyczące danych udostępnianych do kontroli lotów przez ADS (ang. Automatic Dependent Surveillance) w celu wykorzystania w systemach zarządzania ruchem oraz dostępności przepływu danych do komunikacji z centrami kontroli. Na podstawie zestawienia sformułować można ogólne cechy wymagań wobec systemów radionawigacyjnych w lotnictwie: Wysoką dostępność na znacznym obszarze przy nawigacji trasowej z nieznacznymi wymaganiami dokładności i wiarygodności systemów, Konieczność zachowania ciągłości działania przez cały czas podejścia i lądowania oraz restrykcyjne wymagania dotyczące wiarygodności i opóźnienia otrzymania alarmów w razie jej utraty przy średnich wymaganiach dokładnościowych, Wysokie wymagania dokładności pozycjonowania podczas przemieszczania jednostek na płycie lotniska przy niewielkich wymogach niezawodnościowych

104 Tabela 21: Zestawienie wymagań dotyczących nawigacji lotniczej. dokładność abs. wiarygodność Zastosowanie Horyzontalna wertykalna czasu Prędkości Przyspieszenia dostępność częstość poz. HAL VAL TTA prawdopodob. alarmu lub błędu okres prawdopodob. alarmu nieciągłość okres ciągłości strefa działania możliwa technika GNSS jednostka: M m s m/s m/s^2 --- s M m s --- s --- s Nawigacja lotnicza, min. Lot. oceaniczne Lot. trasowe Lot. terminalowe NPA aplikacje precyzyjne i lądowe CAT I CAT II CAT III Ruch na powierzchni Widoczność 1 i 2 Widoczność 3 Widoczność d/u ADS E E- 07 APV I APV II E E E E E E E E E E na każde podejście na raport 1.E E E E E E E globalna jednorod. przestrz. pow. terminali podejścia lotnisk lokalna dyskretna różna podejścia lotnisk lokalna dyskretna pasy lotnisk podejścia lotnisk lokalna dyskretna GNSS+ EGNOS dgnss+ EGNOS GNSS+ EGNOS Ostrzeżenie o bliskości lądu Transfer danych GNSS+ globalna EGNOS jednorod Źródło : ERNS Swedish RNP IALA WWRNP US FRNP

105 Zarówno by sprostać powyżej zaprezentowanym wymaganiom dotyczącym wiarygodności systemów nawigacyjnych oraz jej monitorowania, jak i zgodnie z regulacjami ICAO w żegludze lotniczej za niezbędne uznano wykorzystanie wsparcia systemu EGNOS lub innego SBAS w zależności od lokalizacji. Dotychczas nie przywidywano korzystania z serwisów prywatnych odpowiedników opartych o rozwiązania satelitarne, których działanie skupia się na podwyższaniu dokładności wyznaczeń i wymaga dysponowania dostosowanym odbiornikiem. Prace dotyczące możliwości wsparcia sieciami lądowymi są natomiast prowadzone m.in. przez FAA w Stanach Zjednoczonych. Do wyposażenia pokładowego są ponadto dołączane rozwiązania RAIM (ang. Receiver Autonomous Integrity Monitoring) autonomicznego monitoringu wiarygodności odbiornika oraz AAIM (ang. Aircraft Autonomous Integrity Monitoring), zapasowego systemu oceniającego wiarygodność GNSS w oparciu o inne sensory, np. inercjalne. Łącznie urządzenia te kwalifikuje się jako ABAS (ang. Aircraft-Based Augmentation Systems), czyli samolotowe systemy wsparcia. Szacuje się, że ok. 70% samolotów przemierzających europejską przestrzeń powietrzną jest obecnie wyposażona w odbiorniki GPS wspierane RAIM. Podsumowując, zaimplementowane w żegludze lotniczej techniki satelitarne przedstawiono na poniższym rysunku, łącząc jedynie systemy których wykorzystanie jest obecnie przewidywane. Rozjaśniono natomiast te z nich, których serwisy potencjalnie mogą być użytkowane, jednak nie spełniają obecnie wymagań dotyczących wiarygodności i jej monitoringu lub nie podjęto próby oszacowania ich sprawności w aplikacjach powietrznych. Rysunek 37: Systemy GNSS oraz wspomagające możliwe do wykorzystania w aplikacjach lotniczych na obszarze Polski

106 Obecne i możliwe rozwiązania nawigacyjne Żegludze powietrznej wykorzystanie systemów radionawigacyjnych towarzyszyło przez większą część rozwoju. Wymienione poniżej liczne niesatelitarne rozwiązania dostarczające referencji pozycji opracowane w tym okresie odróżnia od GNSS przede wszystkim lokalny lub regionalny zasięg działania. Pominięto opisany w poprzednim dziale zmodernizowany eloran, który również odznacza się regionalną dostępnością sygnału. ILS system instrumentalnego lądowania przeznaczony do wspomagania lądowania jednostek powietrznych w niekorzystnych warunkach meteorologicznych i widzialności. Instrumental Landing System złożony jest z nadajnika kierunku oraz ścieżki schodzenia i markerów. Zasięg działania, w którym określane są odległościowe i kątowe referencje położenia, wynosi ok. 30 Mm (55.6 km) MLS mikrofalowy system lądowania stanowi rozwiązanie wzorowane na ILS w celu jego zastąpienia, oparte natomiast na wykorzystaniu pasm o częstotliwości 5 GHz oraz 15 GHz. System ten ma za zadanie umożliwienie rozwiązania zadań podejść i lądowań precyzyjnych przy dowolnych warunkach atmosferycznych. Stosowany jest nieraz łącznie z DME. NDB (ang. Non-Directional Beacon) latarnie bezkierunkowe operujące w paśmie khz, głównie jednak na falach średnich od 200 do 600 khz. Wysyłana z naziemnej radiolatarni fala posiada modulację amplitudową A2A z powtarzanym co ok. 30 sekund znakiem rozpoznawczym, tj. tonowo nadawanymi trzema literami alfabetu Morse a. Radiokompas ADF (ang. Automatic Direction Finder), będący pokładowym odbiornikiem systemu posiada rozszerzony zakres pracy od 150 khz by umożliwić namierzanie publicznych radiostacji średniofalowych. Po dostrojeniu na nią lub maszt NDB wskazuje radiowy kąt kursowy na nadajnik. Najczęściej budowane były po dwie radiolatarnie na przedłużeniu pasa startowego, co umożliwiało dokładniejszą nawigację. Obecnie nie stawia się nowych nadajników NDB z uwagi na zastępowanie ich przez bardziej precyzyjne rozwiązania. Eksploatuje się natomiast istniejące. VOR (ang. VHF Omni-directional Range) latarnia kierunkowa VHF to najpopularniejszy z kątowych systemów nawigacji lotniczej. Z naziemnych radiolatarni emitowana jest modulowana tonowo częstotliwości 30 Hz wiązka sygnału radiowego. Po odebraniu sygnału rozpoznawczego urządzenie pokładowe wyznacza wartość azymutu na nadajnik. Dokładność wyznaczenia wynosi ok 2.5 stopnia, natomiast prowadzenia po linii drogi ok. 5.2 stopnia. Moc nadajników wynosić może od 100 do 200 W, przy czym wyjątkiem są 50-watowe radiolatarnie T-VOR mogące pracować w bliskości innych urządzeń. Sygnał

107 system nadawany jest na częstotliwości MHz. Często spotykane jest połączone wykorzystanie VOR z DME, tworzące system oznaczany VOR/DME. Z uwagi na występowanie zakłóceń sygnału spowodowanych przez przeszkody terenowe stosuje się również zmodyfikowaną wersję dopplerowską znaną jako DVOR. DME (ang. Distance Measuring Equipment) odzewowy system pomiaru odległości między jednostką w powietrzu a nadajnikiem naziemnym. Wykorzystywany zakres częstotliwości jest w granicach 960 i 1215 MHz z międzykanałowym odstępem 1 MHz. Każdy z kanałów używa po jednej częstotliwości dla zapytania i jednej dla odpowiedzi, które przesunięte są wobec siebie o 63 MHz. Jako pierwszy pseudolosowo generowany jest sygnał nadajnika pokładowego. Sygnał powrotny wysyłany jest ze stałym opóźnieniem 50 mikrosekund po odbiorze, dzięki czemu możliwe jest wyznaczenie odległości do stacji. Unikalna charakterystyka częstości wysyłania zapytania każdego ze statków powietrznych pozwala rozróżnić przewidziane dla nich odpowiedzi, wysyłane w jednakowej częstości. Pojedyncza stacja naziemna potrafi jednocześnie obsługiwać ok. 100 użytkowników. TACAN (ang. Tactical Air Navigation) taktyczny system nawigacyjny używany przez jednostki militarne. Oprócz namiarów kątowych umożliwia określenie odległości do stacji, na podstawie czego możliwe jest wykonywanie lotu po dokładnie określonej trasie. TACAN często zakładany jest z przyczyn ekonomicznych w jednej stacji w VOR, tworząc system VORTAC obsługujący jednostki militarne i działający jak VOR/DME dla cywilnych statków powietrznych. Nadmienić należy, że system z uwagi na korzystanie z dwóch częstości: 15 i 135 Hz wg założeń powinien być ok. 9-krotnie dokładniejszy od VOR, natomiast praktyka operacyjna wykazała 3-krotny wzrost. Pracująca impulsowo w zakresie khz radiolatarnia cechuje się mocą wyjściową 10 kw. Pasmo operacyjne podzielone jest z odstępem 1 MHz na 256 kanałów. Odbiornik systemu pracuje na częstotliwościach MHz, co pozwala na działanie do ok. 250 km w zależności od warunków propagacji sygnału i wysokości lotu. Modernizacja systemu doprowadziła do utworzenia urządzeń mobilnych, o mocy 400 W i jednakowym zasięgu oraz rozwiązań o zasięgu nawet do 720 km. Chayka - rosyjski terrestryczny hiperboliczny system dalekiego zasięgu będący odpowiednikiem zachodniego Loran-C, tj. najnowocześniejszej analogowej wersji Lorana. Operuje na częstotliwościach wokół 100 khz. Część obliczeniowa, pozwalająca na określenie pozycji i czasu, wykonywana jest po stronie użytkownika, przez co system ma nieograniczoną pojemność. W przeciwieństwie do systemu Loran, składającego się z wielu łańcuchów stacji, w ramach Chayki funkcjonują dwie sieci, każda z stacją nadrzędną (master) oraz 4 podrzędnymi (slave). Zasięg operacyjny wynosi ok km. [Kayton M., Fried W. R., 1997]

108 Systemy SBAS wykorzystywane przede wszystkim w lotnictwie ze względu na większą dostępność sygnału ze satelitów geostacjonarnych z powodu braku przesłon oraz znaczny obszar działania. Ich działanie uzupełnia systemy GNSS o moduł monitorowania wiarygodności, niezbędny do aplikacji powietrznych. Obecnie planowane jest rozwinięcie sieci stacji monitorujących WAAS i EGNOS w kierunku południowym, odpowiednio na obszar Meksyku i rejonu Morza Śródziemnego. Podobną do nich rolę spełniają japońskie systemy: MSAS oraz obecnie rozwijany, quasi-zenitalny QZSS. Zamiar konstruowania własnych systemów ogłosiła także Federacja Rosyjska SDCM oraz Republika Indii GAGAN. Jednymi z głównych parametrów określających funkcjonowanie satelitarnych systemów wspomagania są z tego względu Limit Alarmu Wertykalnego (ang. Vertical Alarm Limit VAL) i Limit Alarmu Horyzontalnego (ang. Horizontal Alarm Limit HAL) podawane w metrach. Ich wartość określana przez ICAO jest jednym z warunków wykorzystania systemu radionawigacyjnego w procedurze lądowania. Poniżej przedstawiono obecny i przewidywany obszar, na którym spełniane będą lotnicze wymagania wiarygodnościowe GNSS. Rysunek 38: Wzrost dostępności systemów SBAS zgodnych z LPV wynikający z planowanego rozwoju [na podstawie Walter T., Blanch J., Enge P., 2010]

109 Pozostałe systemy radarowe pominięto z uwagi na dostarczanie informacji o pozycji obiektów i jednostek w otoczeniu użytkownika, w odróżnieniu od określania własnej lokalizacji. Najważniejszym obecnie trendem jest wzrost wykorzystania serwisów SBAS przy podejściu do lądowania przez określanie procedur LPV i LP na kolejnych lotniskach. Rozwiązania te umożliwiają użytkownikom na dokonanie lądowania o parametrach zbliżonych do precyzyjnego bez korzystania z infrastruktury terrestrycznej. Tym samym uznać je można za dużo bardziej ekonomiczne w obszarach zagęszczenia lotnisk, gdzie koszty eksploatacji wielu stacji zastąpić można jednym na utrzymanie systemu wspomagania satelitarnego. Do 24 lipca 2014 roku w Stanach Zjednoczonych, gdzie wdrażanie nowych regulacji zachodzi dużo sprawniej, odnotowano zdefiniowanie 3430 procedur LPV na 1690 lotniskach. Dla porównania do końca 2013 roku dostawca serwisów EGNOS odnotował wdrożenie jedynie 63 procedur LPV w Europie Nawigacja lądowa i specjalistyczna Charakterystyka segmentu Nawigacja lądowa, wykonywana zwykle w bliskości miejsca zamieszkania znakomitej większości ludzi wykazuje największy potencjał rozwoju z uwagi na liczebność użytkowników oraz różnorodność możliwych aplikacji. Z uwagi na drugi z wymienionych powodów wyodrębniono w temacie niniejszego działu nawigację specjalistyczną, rozumianą jako działania, w których sterowanie ruchem obiektu zintegrowane jest z kontrolą nad systemami nie służącymi jego poruszaniu się, a pełniących zasadnicze funkcje dla danej aktywności. Wśród czynników warunkujących wykorzystanie systemów radionawigacyjnych na lądzie wymienić można wiele zależących od środowiska eksploatacji, które tyczą się ogółu aplikacji. Są nimi m. in.: łatwość budowy i utrzymania infrastruktury wspomagającej w porównaniu do pozostałych rodzajów nawigacji, niskie wymagania niezawodnościowe przy wspomaganiu sterowania procesem ruchu z uwagi na możliwość wizualnej referencji pozycji i relatywną łatwość naprawy bądź wymiany niesprawnych urządzeń, wyższe wymagania dokładnościowe z uwagi na operowanie na małych przestrzeni w ciągłej bliskości przeszkód nawigacyjnych i/lub innych użytkowników,

110 występowanie znacznych przesłon terenowych ograniczających widoczność satelitów oraz propagację sygnałów, powodujących także zjawisko wielodrogowości, operowanie w bliskości działania innych systemów radiowych i elektronicznych, mogące powodować wzajemne zakłócenia przy braku interoperacyjności. Pozostałe warunki zależne są w znacznej mierze od kategorii zastosowań i zostały przedstawione w kolejnym dziale. Popularność wśród ogółu społeczeństwa satelitarne systemy nawigacyjne zawdzięczają głównie montowanym obecnie w seryjnie produkowanych samochodach odbiornikom zintegrowanym z miernikami prędkości i kierunku oraz pamięcią zawierającą mapę wektorową sieci ulic. Określane jako nawigacja GPS systemy te obecnie opierane są także na GLONASS lub dostosowywane do obsługi wielu konstelacji. Wiele pozostałych rozwiązań stanowi proste rozszerzenie implementacji odbiornika satelitarnego w samochodach osobowych na skutek zintegrowania jego działania z dodatkowymi procesami Wymagane parametry użytkowe Na podstawie dokumentów Europejskich Usług Radio Nawigacyjnych oraz Federalnego Planu Radionawigacyjnego Stanów Zjednoczonych zostały określone poniżej wymienione podkategorie nawigacji lądowej oraz aplikacji specjalistycznych: Nawigacja kolejowa odznacza się potrzebą określania jedynie pozycji 1-wymiarowej wzdłuż linii lub na płaszczyźnie z określeniem wartości i kierunku odchylenia od osi toru. Charakterystyczną cechą pociągów jest osiąganie znacznych prędkości maksymalnych przy ograniczonym przyspieszeniu i sprawności hamowania jak również braku samodzielnych możliwości manewrowych. Atrybuty te skutkują potrzebą zapewnienia wysokiej dostępności i wiarygodności systemów nawigacyjnych w okolicy zwrotnic, przejazdów oraz stacji. Dokładność wyznaczeń zawyżona zostaje ponad możliwości GNSS bez systemów wspierających głównie w przypadku aplikacji dotyczących utrzymania infrastruktury kolejowej i jej inwentaryzacji. W przeciwieństwie do zastosowań sterowania ruchem składów nie posiadają one wysokich standardów opóźnienia przestrzennego i czasowego alarmów monitorowania wiarygodności. Dokładnościowe parametry eksploatacyjne GNSS w aplikacjach kolejowych zostały zbadane w kolejnym dziale

111 Tabela 22: Zestawienie wymagań nawigacji kolejowej. dokładność abs. wiarygodność Zastosowanie Nawigacja kolejowa ogółem Blisko miejsc charakteryst. Linie niskiego ruchu Linie konwencjonalne i wys. prędkości horyzontalna wertykalna jednostka: m m S 1 10 Czasu Prędkości m/ s Przyspieszenia m/s^ % Dostępność częstość poz. HAL % W poprzek torów VAL TTA prawdopodob. alarmu lub błędu okres prawdopodob. alarmu Nieciągłość okres ciągłości strefa działania możliwa technika GNSS --- S m m s --- s --- s Przejazdy Zabezpieczenie pracowników na torach Zarządzanie wypadkowe 50 - Informacje dla pasażerów Zarządzanie 50 ruchem Zarządzanie flotą Monitoring ładunku Nadzór przechyłu wagonów Sys. monitoringu kolejowego (PTC) Lokalizacja defektów torów Zautomat. inwentaryzacja infrastruktury Monitoring mostów Pomiar infrastruktury d/u 1 2.E- 04 d/u linie kolejowe dgnss GNSS+ EGNOS dgnss+ EGNOS GNSS RTK E- 02 linie kolejowe mosty - lokalny dyskretny linie kolejowe Źródło : ERNS Swedish RNP IALA WWRNP US FRNP dgnss+ EGNOS RTK+ EGNOS

112 Nawigacja drogowa wlicza dwie główne pozostałe strefy zastosowań transportowych: autostradową i tranzytową. Aplikacje drogowe odznaczają się potrzebą określania pozycji na płaszczyźnie i szybkiego czasu reakcji urządzenia pokładowego. Wyróżnia je ponadto największa liczba użytkowników i wysoka dynamika poruszania się relatywnie do bliskości przeszkód nawigacyjnych. Tym samym konieczna jest wyższa dokładność otrzymywanych wyznaczeń i monitorowanie parametrów sygnału w czasie bliskim rzeczywistemu by osiągnąć restrykcyjnie określone limitu alarmu horyzontalnego. Wysokie nasilenie ruchu samochodowego zachodzi w obszarach zabudowanych, w których sztuczne przesłony terenowe tzw. miejskie kaniony stanowią znaczne wyzwanie dla dostępności sygnałów satelitarnych. Z drugiej strony, rozwinięta sieć dróg i uniwersalność samochodu jako środka transportu sprawiają, że w rozległej strefie działania obejmującej całą powierzchnię lądów funkcjonalne powinny być przynajmniej podstawowe serwisy nawigacyjne. Zauważyć należy, że w tym, najbardziej wypadkowym sposobie poruszania się poczynione mogą zostać znaczne postępy. Tabela 23: Zestawienie wymagań nawigacji drogowej. dokładność abs. wiarygodność Zastosowanie horyzontalna wertykalna czasu prędkości Przyspieszenia jednostka: m m s m/s m/s^ 2 Nawigacja drogowa - ogółem Samodzielna nawigacja samochodowa Automatyczny monitoring pojazdów Automatyczna identyfikacja pojazdów Bezpieczeństwo publiczne Zarządzanie zasobami dostępność częstość poz. HAL VAL TTA prawdopodob. alarmu lub błędu okres prawdopodob. alarmu nieciągłość okres ciągłości strefa działania możliwa technika GNSS --- s m m s --- s --- s E E- 02 globalna lądowa globalna lądowa GNSS GNSS+ EGNOS dgnss+ EGNOS GNSS+ EGNOS dgnss+ EGNOS Unikanie kolizji Pomiary geofizyczne dgnss Źródło : ERNS Swedish RNP IALA WWRNP US FRNP

113 Tabela 24: Zestawienie wymagań nawigacji drogowej kontynuacja. dokładność abs. wiarygodność Zastosowanie horyzontalna wertykalna czasu prędkości Przyspieszenia dostępność częstość poz. HAL VAL TTA prawdopodob. alarmu lub błędu okres prawdopodob. alarmu nieciągłość okres ciągłości strefa działania możliwa technika GNSS jednostka: m m s m/s m/s^ s m m s --- s --- s Kontrola geodezyjna RTK Pomiary miejsc wypadków Łączność między pojazdami (Connected Vehicle Initiative) Zarządzanie flotą 3 Ochrona przed kradzieżą Płatności drogowe Lokalizacja wypadków Informacje o ruchu Zbieranie danych FCD Wspomaganie parkowania ciężarówek Geofencing Śledzenie materiałów niebezpiecznych (HAZMAT) Śledzenie przyczep Kontrola transportu kabotażowego Wspomaganie kierowcy ADAS E E E E E E E- 03 globalna lądowa różna Globalna lądowa Globalna lądowa różna Źródło : ERNS Swedish RNP IALA WWRNP US FRNP dgnss+ EGNOS GNSS+ EGNOS dgnss+ EGNOS GNSS+ EGNOS dgnss+ EGNOS GNSS+ EGNOS GNSS+ EGNOS dgnss+ EGNOS Zastosowanie aplikacji bezpieczeństwa publicznego ogranicza się do sytuacji kryzysowych i zagrożenia życia. Konieczne w celu ich sprawnego działania jest objęcie zasięgiem całego terytorium państwowego i monitorowanie działania nawigacji

114 z powiadamianiem użytkowników o ewentualnym przekroczeniu zakładanych parametrów. Z drugiej strony, w większości przypadków nie występują wysokie wymagania dokładnościowe, a pozycjonowanie odbywa się na płaszczyźnie. Tabela 25: Zestawienie wymagań nawigacji aplikacji bezpieczeństwa publicznego. dokładność abs. wiarygodność Zastosowanie horyzontalna wertykalna czasu prędkości przyspieszenia dostępność częstość poz. HAL VAL TTA prawdopodob. alarmu lub błędu okres prawdopodob. alarmu nieciągłość okres ciągłości strefa działania możliwa technika GNSS jednostka: m m s m/s m/s^ 2 Prawo i bezp. publiczne - min Ostrzeżenia kryzysowe Zarządzanie flotą służb bezp Kierowanie służb E s m m s --- s --- s E E E- 02 terytorium państwowe terytorium państwowe terytorium państwowe terytorium państwowe Źródło : ERNS Swedish RNP IALA WWRNP US FRNP GNSS GNSS GNSS GNSS+ EGNOS Zastosowania na rynku masowym obejmują ogół produktów i usług, których działanie uzależnione jest od lokalizacji użytkownika, m.in. programy płatnicze wykorzystujące współrzędne lub synchronizację czasu do określania wysokości naliczanych opłat lub gry oparte o rzeczywistość rozszerzoną. Wyróżnia je przede wszystkim niewymieniony poniżej wymóg nieograniczonej liczby użytkowników, w praktyce relatywnie wysokiej w porównaniu z pozostałymi zastosowaniami Tym samym konieczne staje się korzystanie z łączy o wysokiej przepływowości danych wykorzystanie jedynie jednostronnej transmisji do użytkownika, jak w systemach GPS i GLONASS. ERNS przedstawia potrzebę monitoringu spełniania parametrów eksploatacyjnych przez nawigację jako niezbędną w poniższych przypadkach. Zauważyć należy, że w tej kategorii nie mieszczą się zastosowania dotyczące bezpieczeństwa życia lub środowiska, stąd wymagania te określić można jako wygórowane. Kontrola wiarygodności pełniona może być przez oprogramowanie po stronie użytkownika, podobne do rozwiązań RAIM, jeśli wystąpi taka potrzeba. Wymagania dokładnościowe i dostępności serwisów dla aplikacji rynku masowego plasują się na umiarkowanym poziomie, jednak

115 stosowanie głównie w ośrodkach miejskich może wymagać wspomagania np. przekaźnikami GSM (A-GPS). Tabela 26: Zestawienie wymagań innych aplikacji rynku masowego. dokładność abs. wiarygodność Zastosowanie horyzontalna wertykalna czasu prędkości przyspieszenia dostępność częstość poz. HAL VAL TTA prawdopodob. alarmu lub błędu okres prawdopodob. alarmu nieciągłość okres ciągłości strefa działania możliwa technika GNSS Rynek masowy - ogółem Serwisy informacyjne Nawigacja osobista Serwisy śledzenia Naliczanie opłat wg lokalizacji E E-02 Rozrywka i gry E globalna jednorodna GNSS GNSS+ EGNOS 30 1.E-02 GNSS różna Źródło : ERNS Swedish RNP IALA WWRNP US FRNP GNSS+ EGNOS Rolnictwo precyzyjne i zrobotyzowane umożliwiło istotną automatyzację obszarowych prac maszyn rolniczych przez zintegrowanie sterowania ich pracą z procesem kontrolującym ruch. W tej dziedzinie niezbędna jest podwyższona dokładność wyznaczeń, natomiast nie zachodzi potrzeba ustalania wysokich norm wiarygodności, jako że większość prac podejmowana jest z relatywnie niską dynamiką i z zachowaniem odległości wobec przeszkód nawigacyjnych. Precyzyjne działania zrobotyzowanych maszyn wymagać mogą sterowania na podstawie pomiarów fazowych, natomiast do pozostałych zastosowań wystarczające wydają się kodowe rozwiązania różnicowe z monitorowaniem parametrów sygnału

116 Tabela 27: Zestawienie wymagań aplikacji rolniczych. dokładność abs. wiarygodność Zastosowanie horyzontalna wertykalna czasu prędkości przyspieszenia dostępność częstość poz. HAL VAL TTA prawdopodob. alarmu lub błędu okres prawdopodob. alarmu nieciągłość okres ciągłości strefa działania możliwa technika GNSS Rolnictwo ogółem Monitorowanie upraw Zraszanie chemiczne Kontrola szkodników Pobieranie próbek gleby Agrolotnictwo Monitorowanie wyłudzeń funduszy Rolnictwo zrobotyzowane E E E- 02 różna lądowa globalna lądowa różna lądowa Źródło : ERNS Swedish RNP IALA WWRNP US FRNP GNSS+ EGNOS dgnss+ EGNOS GNSS+ EGNOS dgnss+ EGNOS dgnss RTK Kategoria nauka i synchronizacja czasu obejmuje aplikacje rozwojowe i sektora finansowego. Wymagają one najczęściej rozwiązań dedykowanych dla danego przedsięwzięcia lub związane są z transmisją czasu w mediach, dla których maksymalny poziom błędu jest dużo wyższy niż zapewniany przez GPS. Wśród obu grup wyróżnić można zastosowania stacjonarne, dotyczące ciągłego i precyzyjnego ustalenia czasu w danym miejscu, oraz mobilne, dzięki którym możliwa jest skoordynowana komunikacja z użytkownikami terenowymi z oznaczaniem czasu ich aktywności

117 Tabela 28: Zestawienie wymagań aplikacji naukowych i synchronizacji czasu. dokładność abs. wiarygodność Zastosowanie horyzontalna wertykalna czasu prędkości przyspieszenia dostępność częstość poz. HAL VAL TTA prawdopodob. alarmu lub błędu okres prawdopodob. alarmu nieciągłość okres ciągłości strefa działania możliwa technika GNSS Naukowe i czasowe ogółem 10 GIS Radiowa synchronizacja czasu Telewizyjna synchronizacja czasu Dostarczanie energii elektr. Zegarki osobiste Zegary kolejowe Pomiary naukowe Oznaczanie transakcji finansowych Telefonia komórkowa Meteorologia i zegary komercyjne E-02 1.E E E E- 02 różna globalna jednorodna - 1E-06 różna globalna linie kolejowe - 1E różna - 1-1E d/u d/u d/u d/u 1.E- 05 globalna jednorodna różna Źródło : ERNS Swedish RNP IALA WWRNP US FRNP GNSS dgnss+ EGNOS GNSS Do innych zastosowań specjalistycznych wliczono m.in. monitorowanie stanu środowiska naturalnego. Zauważyć należy, że w większości związane są z określaniem parametrów ruchu obiektów, nie natomiast sterowaniem nim jeśli ruch występuje. Zadania dotyczące niniejszego monitoringu wymagają przynajmniej decymetrowej dokładności, od czego wyjątkiem jest śledzenie wędrówek zwierząt. Wiarygodność wykorzystywanych serwisów nie musi być tak wysoka jak w pozostałych kategoriach, a w ramach Federalnego Planu Radionawigacyjnego nie zdefiniowano dotychczas opóźnienia alarmu przekroczenia dokładności horyzontalnej. Opisywane precyzyjne aplikacje wymagają dokonywania

118 satelitarnych pomiarów różnicowych fazowych lub kodowych nawet mimo zróżnicowanej strefy działania. Tabela 29: Zestawienie wymagań specjalistycznych aplikacji lądowych. dokładność abs. wiarygodność Zastosowanie horyzontalna wertykalna czasu prędkości przyspieszenia dostępność częstość poz. HAL VAL TTA prawdopodob. alarmu lub błędu okres prawdopodob. alarmu nieciągłość okres ciągłości strefa działania możliwa technika GNSS Gospodarka wodna i planowanie środowiskowe Aplikacje i nawigacja precyzyjna Wyrównanie terenu i prace irygacyjne Poszukiwanie i ratownictwo lądowe, gaszenie pożarów i egzekwowanie prawa Monitoring tektoniczny Zarządzanie zasobami Badania przyrody i śledzenie zwierząt Zastosowania podziemne d/u d/u - - d/u Globalna lądowa jednorod. RTK lub dgnss dgnss RTK dgnss RTK dgnss GNSS lub dgnss Źródło : ERNS Swedish RNP IALA WWRNP US FRNP RTK Aplikacje kosmiczne definiowane przez FRNP dotyczą precyzyjnego pozycjonowania obiektów na niskiej orbicie ziemskiej (ang. LEO Low Earth Orbit) od 160 do 2000 km wysokości oraz części średnich orbit ziemskich (ang. MEO Medium Earth Orbit) od 2000 do 3000 km wysokości. Zauważyć należy, że na odbiorniki GPS nałożone są tzw. limity

119 CoCom, pozostałe po Komitecie Koordynacyjnym Wielostronnej Kontroli Eksportu, działającym od 1949 do 1994 r. Na ich podstawie jedynie licencjonowane odbiorniki mogą korzystać z sygnału konstelacji przy prędkości wyższej niż 1900 km/h i wysokości ponad 19 km, co podyktowane jest ograniczeniem sterowania pociskami balistycznymi. To, czy wystarczy przekroczenie jednego z parametrów, czy muszą być spełnione oba w praktyce podlega interpretacji producenta odbiorników. Prędkości satelitów na niskich orbitach ziemskich wynoszą około km/h, zatem wykraczają poza oba ograniczenia. Wartym nadmienienia jest, że do wysokości 3000 km nad powierzchnią Ziemi obowiązuje standard GPS Standard Positioning Service Performance Standard, więc przedstawiona strefa działania zawiera się w tzw. Ziemskiej Sferze Serwisu (ang. TSV Terrestial Service Volume). Poza nią, w Kosmicznej Sferze Serwisu (ang. SSV Space Service Volume) nie zostały określone parametry eksploatacyjne z uwagi na zmienność dokładności (od 10 do 100 m) i dostępności zależną od wysokości obiektu. Zewnętrzną granicą SSV jest orbita geosynchroniczna uznawana za pośrednią między orbitami MEO i orbitami wysokimi HEO (ang. High Earth Orbit) na wysokości km. [Miller J.J., 2011r.] Tabela 30: Zestawienie wymagań nawigacji kosmicznej. dokładność abs. wiarygodność Zastosowanie horyzontalna wertykalna czasu prędkości przyspieszenia dostępność częstość poz. HAL VAL TTA prawdopodob. alarmu lub błędu okres prawdopodob. alarmu nieciągłość okres ciągłości strefa działania możliwa technika GNSS Samodzielna nawigacja pokładowa Ziemskie satelity obserwacyjne Altymetria satelitarna E Globalna jednorodna do 3000 km wysokości Pomiary okultacyjne atmosfery E Źródło : ERNS Swedish RNP IALA WWRNP US FRNP

120 Obecne i możliwe rozwiązania nawigacyjne Lądowa i specjalistyczna działalność nawigacyjna przed wdrożeniem technik satelitarnych odbywała się z wykorzystaniem systemów terrestrycznych lub referencji wizualnych. W wielu dziedzinach rozwiązania te pozostają dominujące, co ogranicza efektywność i bezpieczeństwo sterowania ruchem. Ich opis wraz z inicjatywami skierowanymi ku implementacji globalnych systemów pozycjonowania przedstawiono w tej samej kolejności co w dziale poprzednim poniżej. Rozwój satelitarnej nawigacji kolejowej odbywa się obecnie dwuaspektowo. Po pierwsze, podejmowane są inicjatywy wykorzystania systemów GNSS jako części infrastruktury zarządzającej centralnie ruchem pociągów lub wspierającej decyzje załogi. Z drugiej strony, niemniejszy postęp widoczny jest w dziedzinie zautomatyzowanej inwentaryzacji i pomiaru linii i towarzyszących konstrukcji i urządzeń kolejowych. Prace prowadzone są w ramach systemu ETCS (ang. European Train Control System) mającego na celu automatyzację prowadzenia pociągu oraz sygnalizację kabinową. Rozwiązanie to zamienia jednak obowiązek budowy semaforów na konieczność wyposażenia linii w balisy, czyli anteny torowe przekazujące sygnały do lokomotywy. Wraz z wdrożeniem komunikacji GSM-R (GSM kolejowego), ETCS jest elementem ERTMS (ang. European Rail Traffic Management System), tj. projektu uniformizującego zarządzanie ruchem i sygnalizację kolejową w Europie, której 20 różnych systemów funkcjonuje obecnie. Rozszerzeniem tych starań były inicjatywy LOCOPROL (ang. Low Cost satellite based train location system for signalling and train Protection for Low density traffic railway lines) oraz LOCOLOC. Dotyczyły odpowiednio włączenia nawigacji satelitarnej w sieci kolejowe oraz ich wykorzystania w sygnalizacji kabinowej i kontroli prędkości na liniach niskiego ruchu. Równocześnie zainicjalizowany został projekt GADEROS (ang. GAlileo DEmonstrator Railway Operation System) zajmujący się integracją wykorzystania technik GNSS+EGNOS z założeniami ERTMS. Zakończone w 2006 roku projekty dały podwaliny pod dalsze badania. Można wśród nich wymienić: RUNE prowadzony przez Europejską Agencję Kosmiczną od 2006 roku w celu tworzenia wirtualnych balis na podstawie pomiarów systemu Galileo, GEORAIL kierowany przez Międzynarodowy Związek Kolei UIC (fr. Union Internationale des Chemins) badający aplikacje kolejowe GNSS od 2004 roku,

121 GIRASOLE (ang. Galileo Integrated Receiver for Advanced Safety Of Live Equipment) mający na celu opracowanie odbiornika GNSS obsługującego Galileo do aplikacji bezpieczeństwa życia m.in. na kolei, GRAIL i GRAIL-2 zakończony 24 października 2013 roku, kontynuujący prace dotyczące zdefiniowania, rozwoju i walidacji zaawansowanej aplikacji GNSS wspierającej odometrię kolei wysokich prędkości, M-TRADE (ang. Multimodal TRAnsportation SupporteD By EGNOS), który badał możliwości zastosowania EGNOS oraz Galileo w transporcie multimodalnym ze wsparciem technologii RFID i inteligentnych systemów transportowych ITS, Krajowe kontynuacje LOCOPROL, takie jak LOCASYS w Wielkiej Brytanii, TransLogisTIC w Belgii, Tr@in-MD francuskiego państwowego przewoźnika kolejowego SCNF i Gédéon prowadzony przez tą samą spółkę, rozpatrujące śledzenie wagonów z niebezpiecznymi materiałami oraz ładunków ogółem. W Stanach Zjednoczonych prowadzone są projekty o podobnym zakresie, tzn. dotyczące implementacji serwisów narodowego systemu różnicowego NDGPS w rozwiązania monitoringu ruchu kolejowego Positive Train Control. Doświadczenia europejskie wykazały, że techniki satelitarne nie są w stanie sprostać wymaganiu SIL4 dla bezpieczeństwa życia, tj. dostępności na poziomie 98% poza tunelami. Głównym czynnikiem ograniczającym ten parametr okazała się niska widoczność urządzeń orbitalnych na terenach zabudowanych. Analizy wykazały konieczność montażu balis zapewniających referencję pozycji przynajmniej przed stacjami kolejowymi i przejazdami. By zapewnić samodzielność systemu pokładowego rozwijane są rozwiązania łączące różne sensory: amerykańskie zestawy łączące dwa odbiorniki dgps oraz czujnik inercyjny oraz włoskie systemy bezpieczeństwa ITARUS-ATC integrujące odbiorniki GPS+GLONASS z nawigacją inercyjną i sensorami kołowymi. Drugie z wymienionych zostały zastosowane do obsługi połączeń na zimowych igrzyskach olimpijskich w 2014 roku w Soczi. W dziedzinie nawigacji drogowej najbardziej znanymi zastosowaniami technik satelitarnych są tzw. automapy, systemy śledzenia przewozu głównie cennych towarów i materiałów niebezpiecznych - oraz aplikacje zarządzające flotą. Te ostatnie przez optymalizację tras, ich przestrzenne ograniczenie (geofencing) i zachowanie ciągłej łączności umożliwiają zmniejszenie zużycia pojazdów i kosztów ich eksploatacji, monitorowanie aktywności, zwiększenie bezpieczeństwa kierowców i ładunków oraz zmniejszenie czasu dojazdu do klienta. Wykorzystywane w tym celu są zintegrowane podsystemy pokładowe:

122 satelitarnej lokalizacji pojazdu, autoryzacji kierowcy, monitoringu pojazdu i łączności oraz centralne: archiwizacji danych, prezentacji i raportowania. Trendem wyróżniającym te rozwiązania jest dążenie do centralizacji zarządzania ruchem jak największej liczby pojazdów przy zachowaniu znacznej autonomii kierowców, którym udzielane są jedynie rekomendacje dotyczące sterowania ruchem. Odmienna tendencja cechuje prężnie rozwijane systemy wsparcia kierowcy czy też projekty samochodów samosterujących. Głównym założeniem w tym przypadku jest jak największa niezależność od infrastruktury zewnętrznej, co umożliwi zawarcie całego, niezależnego systemu na podkładzie pojedynczego samochodu. Ponadto urządzenia mają za zadanie przejmowanie kolejnych funkcji pełnionych przez kierowcę: utrzymywania prędkości, manewrowania przy parkowaniu, sprawdzania odległości do innych użytkowników ruchu czy też kierowania w ogólności. Do instytucji biorących udział w pracach nad automatyzacją sterowania samochodami należą bądź należały: Mercedes-Benz, General Motors, Continental Automotive Systems, Autoliv Inc., Bosch, Nissan, Toyota, Audi, Volvo, Vislab z Uniwersytetu w Parmie, Uniwersytet Oksfordzki i Google czołowi producenci samochodów oraz prywatne i publiczne placówki badawcze. Rozwój implementacji technik satelitarnych w pozostałych dziedzinach specjalistycznych prowadzony jest w znacznym stopniu w nieskoordynowany sposób przez firmy prywatne. Wśród większych ośrodków prowadzących działania w tym celu w Europie wymienić można Agencję GNSS (ang. GSA European GNSS Agency). Jej definiowana jest przez projekty określane jako część kolejnych Programów Ramowych. Obecnie Agencja wymienia zrealizowanie badań wymienionych poniżej. Rozszerzenia ich nazw, stanowiące opis zakresu aktywności przetłumaczono na język polski. Zachowano źródłowy podział kategorii projektów mając na uwadze, że działalność rozwojowa GSA wykracza poza dziedzinę nawigacji. Pominięto natomiast projekty nie związane z tematem niniejszego opracowania, tj. procesami sterowania ruchem obiektów oraz eksploatacją i utrzymaniem systemów to umożliwiających. Nadmienić należy, że wykonanie poniższych projektów odbywa się w ramach jednej z trzech chronologicznych części danego Programu Ramowego (ang. FP Framework Programme). By umieścić inicjatywy w czasie podzielono je odpowiednio między 6 i 7 Program Ramowy dla lat oraz , umieszczając po kropce numer części, w której się zawiera. W kategorii projektów lotniczych wymieniono: GIANT - Wprowadzenie GNSS w sektorze lotniczym z FP 6.2, GIANT-2 - Wprowadzenie EGNOS w sektorze lotniczym z FP 7.1,

123 HEDGE - Helikoptery z nawigacją GNSS w Europie z FP 7.1, ACCEPTA - Przyspieszanie przyswojenia EGNOS w lotnictwie z FP 7.2, CLOSE REACH - Precyzyjna i bezpieczna nawigacja EGNOS SoL w tanich operacjach SAR z wykorzystaniem UAV z FP 7.2, FilGAPP Wypełnianie luki" (ang. filling the gap) w zaawansowanych procedurach i operacjach GNSS z FP 7.3, HEDGE NEXT - Helikoptery z nawigacją GNSS w Europie następny etap z FP 7.3, LOGAM - Tani system pozycjonowania i nawigacji GNSS ze wsparciem mikrosystemów inercyjnych z FP 7.3. W dziedzinie rolnictwa wyróżniono projekty: FieldCopter - Precyzyjne rolnictwo wykorzystujące bezzałogowe pojazdy powietrzne UAV i systemy GPS-EGNOS z FP 7.3, GEOPAL - System planowania logistyki rolniczej oparty na GNSS z FP 7.3. Tematykę nawigacji drogowej podejmują inicjatywy: ADvantis - Scentralizowane usługi lokalizacyjne o gwarantowanej wiarygodności - podstawa modelu biznesowego EGNOS i Galileo z FP 6.1, VeRT - Zdalne pobieranie opłat pojazdów z FP 6.1, GIROADS - Wdrożenie GNSS w sektorze drogowym z FP 6.2, M-TRADE - Transport multimodalny wspierany przez EGNOS z FP 6.2, LMHC-TTCS - System zbierania opłat w wolnym ruchu z ochroną danych osobowych i monitorowaniem pasażerów z FP 6.2, MENTORE - Wdrożenie śledzenia GNSS w sektorach regulowanych przez EU z FP 6.3, GALAPAGOS - Ciągłe i trwałe zastosowania pozycjonowania Galileo w procesach optymalizacji logistycznej z FP 7.1, GSW - Ostrzeżenie prędkości Galileo z FP 7.1, SCUTUM - Zabezpieczenie wdrożenia GNSS Unii Europejskiej w transporcie materiałów niebezpiecznych z FP 7.2, COVEL - Kooperacyjne lokalizowanie pojazdów dla zrównoważonej mobilności z FP 7.2,

124 GNSSmeter - Liczniki oparte o GNSS dla aplikacji drogowych tworzących wartość dodaną oraz zainstalowanych w pojazdach z FP 7.2, ERSEC - Podniesione bezpieczeństwo drogowe przez zintegrowanie danych EGNOS i Galileo z pokładowym systemem kontroli z FP 7.2, GENEVA - System wsparcia kierowcy (ang. ADAS Advanced Driver Assistance System) wykorzystujący Galileo i EGNOS z FP 7.2, DETECTOR - Zidentyfikowanie, ocena i charakterystyka zagrożeń dla aplikacji drogowych z FP 7.3, Easy-OBU - System podwyższonej dokładności EGNOS/EDAS (ang. Egnos Data Access Service internetowy Serwis Dostępu do Danych EGNOS) z jednostką pomostową przy niedostępności GNSS z FP 7.3, GAIN - Galileo dla interaktywnego prowadzenia z FP 7.3, QualiSaR - Rozwój procedur kwalifikacyjnych dla wykorzystania odbiorników Galileo w aplikacjach bezpieczeństwa z FP 7.3, TACOT - Zaufany wielozadaniowy odbiornik dla ciężarówek z FP 7.3, TAXISAT - Nowa aplikacja TAXI naprowadzana satelitarnie z FP 7.3. Wśród innowacji dotyczących aplikacji zależnych od lokalizacji (ang. LBS Location- Based Services) wartymi odnotowania są: SCORE - Usługa skoordynowanej pomocy kryzysowej i ratownictwa wykorzystująca EGNOS z FP 6.1, ALIS - Propozycja rozwoju morskiego serwisu informacji lokalizacyjnej z FP 6.2, LOCCATA - Wielomodułowy mobilny przewodnik górski oparty na lokalizacji i kontekście użytkowania z FP 6.2, TGR - Wdrożenie technik Turbo do odbiorników GNSS z FP 6.2, MUGGES - Mobilne usługi geograficzne generowane przez użytkownika z FP 7.1, OPTI-TRANS - Zoptymalizowany system transportowy dla usług opartych na lokalizacji z FP 7.1, IEGLO - Odbiornik EGNOS/Galileo oparty na infrastrukturze dla osobistej mobilności z FP 7.1, MetaPos - Meta-usługa integrująca różne technologie wyznaczania pozycji dla aplikacji opartych na lokalizacji z FP 7.1,

125 LIVELINE - Bezpośrednie usługi teleinformatyczne zweryfikowane przez EGNOS dla wyszukiwania osób zaginionych w wypadkach z FP 7.2, PERNASVIP - System nawigacji osobistej dla osób niewidomych z FP 7.2, SMART-WAY - Nawigacja oparta na Galileo w systemach transportu publicznego z interakcją pasażerów z FP 7.2, CEWITT - Tanie i energooszczędne bezprzewodowe tagi dla śledzenia kosztowności i cennych towarów z FP 7.3, POSSUM - Usługi zależne od pozycji dla zespołów utrzymania infrastruktury z FP 7.3, STON - Technologie ochrony oparte na lokalizacji z FP 7.3. W kategorii projektowania innowacyjnych rozwiązań i działalności nauko-edukacyjnej na rozwoju nawigacji koncentruje się m.in.: EEGS2 - Rozszerzenie EGNOS na Europę wschodnią: aplikacje z FP 7.3. GSA do wspólnego działu innych zagadnień nawigacyjnych zakwalifikowała następujące przedsięwzięcia: MARGAL - Morskie Galileo ciągłe, zharmonizowane usługi dla portów i wewnętrznych dróg wodnych z FP 7.3, GRAIL - Wprowadzenie GNSS w sektorze kolejowym z FP 6.1, MARUSE - Morski segment użytkownika z FP 6.2, GRAIL-2 - System ochrony pociągu ATP oparty na GNSS dla linii o niskim nasileniu ruchu z FP 6.2, SafePort - Bezpieczne operacje portowe z wykorzystanie serwisu SoL EGNOS z FP 7.2, CoSuDEC - Przybrzeżne pomiary głębi z EGNOS dla ulepszenia map z FP 7.2, GaLoROI - Lokalizacja Galileo dla innowacji w operacjach kolejowych z FP 7.3, GLOVE - Łączna optymalizacja Galileo i wzmacnianie doraźnych sieci pojazdów VANET z FP 7.3, MEDUSE - Ulepszone aplikacje parków morskich oparte o zintegrowane wykorzystanie usług GNSS z FP 7.3, SATLOC - Działanie i zarządzanie liniami niskiego ruchu oparte na satelitach z FP 7.3. Kolejna kategoria zawiera projekty, których celem jest rozwój odbiorników i segmentu użytkownika:

126 GAMMA - Wspomagany odbiornik Galileo/GPS/EGNOS dla rynku masowego z FP 6.2, GIRASOLE - Zintegrowany odbiornik Galileo dla zaawansowanego wyposażenia bezpieczeństwa życia z FP 6.2, MAGIC - Zarządzanie interferencją Galileo i środki zaradcze z FP 6.2, SOPHA - Oprogramowanie odbiornika o koncepcji podwyższonej wiarygodności dla krytycznych zastosowań urządzeń ręcznych z FP 6.2, PRECISIO - Profesjonalny odbiornik z oprogramowaniem radiowym z FP 7.2, ATENEA - Zaawansowane techniki dla odbiorników i aplikacji nawigacyjnych z FP 7.2. Aplikacje specjalistyczne zawierają prace badawcze, których rezultaty mogą być wykorzystane w aplikacjach precyzyjnych oraz nawigacji w warunkach specjalnych: GIGA - Zintegrowane aplikacje georeferencji Galileo z FP 6.2, FIX_8 - Pozycjonowanie wysokiej dokładności z wykorzystaniem produktów EGNOS i Galileo z FP 6.2, GEOLOCALNET - Innowacyjne koncepcje dla wysokodokładnych sieci geodezyjnych z FP 6.2, GGPHI - Tani i energooszczędny system pozycjonowania fazowego Galileo/GPS z FP 6.2, GREHDA - Oprogramowanie odbiornika Galileo dla zastosowań wysokiej dynamiki z FP 6.2, HELICITY - Precyzyjne naprowadzanie helikopterów w miastach i wsparciu sytuacji zagrożenia życia z FP 6.2, IADIRA - Głęboko zintegrowane inercyjne wsparcie odbiornika z FP 6.2, POSIRIS - Pozycjonowanie ze wzmocnieniem satelitów impulsem radiowym z FP 6.2, WARTK-EGAL - Wielkoobszarowe sieci kinematyczne WARTK oparte na EGNOS i Galileo - studium wykonalności technicznej z FP 6.2, HARMLESS - Aplikacje wspierające pomoc humanitarną, zarządzanie kryzysowe i egzekwowanie prawa z FP 6.2, GLECIA - Lokalne elementy lądowe dla wsparcia ciągłości w rejonie lotnisk z FP 6.2, NAVELEC - Innowacyjna aplikacja europejskiego GNSS dla lepszej synchronizacji sieci przesyłowych energii elektrycznej z FP 6.2,

127 POP-ART - Precyzyjne pozycjonowanie operacji alpejskich zespołów ratowniczych z FP 6.2, SAHRA - Odbiornik EGNOS/Galileo wsparty sensorami dla zastosowań ręcznych w środowisku miejskim i wewnątrz pomieszczeń z FP 6.2, GalileoCast - Innowacyjne aplikacje prognozy pogody z Galileo z FP 7.1, GOLDEN-ICE - Zwiększanie efektywności usług odśnieżania i zarządzania ratownictwem na profesjonalnych pojazdach zimowych z wykorzystaniem EGNOS z FP 7.2, ASPHALT - Zaawansowany system nawigacyjny Galileo dla floty maszyn asfaltowych z FP 7.2, I2GPS - Zintegrowana interferometria i precyzyjne pomiary GNSS z FP 7.2, COSMEMOS - Kooperacyjna nawigacja satelitarna dla modelowania i usług meteorologii morskiej z FP 7.3. Na następną kategorię składają się 3 projekty rozwijające odbiorniki Serwisu Regulowanego Publicznie: ARMOURS, PREMISE i ULTRA. Przedsięwzięcia te są relatywnie dobrze finansowane, na łączną kwotę Euro i wliczane są do 3 części 7 Programu Ramowego. Obiektami ich badań są anteny, moduły przednie i podzespoły zwiększające bezpieczeństwo odbiorników PRS oraz istotne zmniejszenie kosztów certyfikowanych urządzeń. Rezultaty niniejszych przedsięwzięć będą miały wpływ na możliwości nawigacyjne użytkowników licencjonowanych, czyli wojska i służb państw Unii Europejskiej oraz sił Stanów Zjednoczonych. Na ostatnią z grup składają się inicjatywy rozwoju systemu przez usługodawcę, zajmujące się segmentem naziemnym i kosmicznym Galileo oraz EGNOS. Najważniejszymi dla kryteriów eksploatacyjnych aplikacji nawigacyjnych są: GISAR - Implementacja Galileo do interfejsów poszukiwania i ratownictwa SAR z FP 6.2, GALOCAD - Rozwój lokalnego komponentu Galileo do badania i przewidywania zakłóceń atmosferycznych wpływających na wiarygodność precyzyjnych aplikacji Galileo z FP 6.2, GQN - Oszacowanie potencjalnego zagrożenia dla Galileo wynikającego ze sztucznych źródeł szumu radiowego z FP 6.2, GADEM - Misja polepszenia danych atmosferycznych Galileo z FP 6.2,

128 EEGS2 - Rozszerzenie EGNOS na Europę wschodnią z FP 7.2, ESESA - Rozszerzenie serwisów EGNOS na Afrykę południową z FP 7.2, SIRAJ - Implementacja SBAS w regionach Arabskiej Komisji Lotnictwa Cywilnego ACAC i Agencji Bezpieczeństwa Nawigacji Lotniczej w Afryce i Madagaskarze ASECNA z FP 7.2. Podsumowanie projektów zawartych w 6 i 7 Programie Ramowym GSA pozwala zaobserwować przeważającą liczebność prac dotyczących aplikacji rynku masowego nad liczbą tych stricte nawigacyjnych. Strukturę kategorii zobrazowano poniżej, uwzględniając wszystkie przedsięwzięcia, w tym pominięte w powyższym tłumaczeniu inicjatywy niezwiązane z tematyką opracowania. 36; 25% 3; 2% 17; 12% 4; 3% 12; 9% 11; 8% 2; 1% 9; 6% 27; 19% 24; 17% 3; 2% Nawigacja lotnicza Rolnictwo Nawigacja drogowa Usługi oparte na lokalizacji Odbiorniki Aplikacje specjalistyczne Serwis publiczny Rozwój systemu Nawigacja morska Nawigacja kolejowa Nawigacja ogólna 5; 4% Rysunek 39: Porównanie liczebności projektów GSA w Programie Ramowym 6 i 7 według kategorii. Najwięcej, bo 17% inicjatyw obejmuje prace nad nawigacją drogową, następnie 9% nad lotniczą, a 4%,3% i 1% odpowiednio nad morską, kolejową i ogólną. Nadmienić należy, że 3 ostatnie zostały wydzielone na potrzeby opracowania z pozostałych aplikacji nawigacyjnych. W sumie procesami sterowania ruchu zajmuje się jedynie 34% projektów, a wewnątrz tej grupy zauważalna jest znaczna dysproporcja między obszarami komunikacji. Niniejsza tendencja potwierdza wcześniej postawioną tezę o najdynamiczniejszym rozwoju nawigacji drogowej i aplikacji o najszerszym gronie użytkowników wśród sektora publicznego. Dokonywania postępu w dziedzinach specjalistycznych należy spodziewać się po sektorze prywatnym, w tym przede wszystkim korporacjach mogących odnoszących zyski z wdrażanych tam innowacji

129 3. Ocena zdatności wyników pomiaru eksperymentalnego do zastosowań nawigacyjnych 3.1. Przebieg objazdu Założenia i warunki techniczne Analizę zawartą w niniejszym opracowaniu oparto na danych z eksperymentalnego pomiaru satelitarnego udostępnionych przez profesora Cezarego Spechta. Zostały one wykonane między godziną 22:00 dnia r., a godziną 4:00 następnego dnia podczas objazdu sieci tramwajowej Gdańska przygotowaną w tym celu platformą pomiarową. Z uwagi na objętość zbioru punktów, liczącego łącznie ponad niezależnych wyznaczeń do pracy dołączono w załączniku 1 stabelaryzowane parametry statystyczne dotyczące wartości elementów. Pominięto natomiast załączenie całości danych źródłowych. Problematyka możliwości wdrożenia pomiarów satelitarnych w kolejowych pracach geodezyjnych poruszona została z uwagi na ograniczenia stosowanych dotychczas technik klasycznych przy modelowaniu obiektów liniowych znacznej długości czy to do potrzeb inwentaryzacji, czy też projektowych. Metody tachimetryczne mimo osiągania obecnie dokładności pomiaru odległości rzędu (1 mm + 1 mm/km) do (5 mm + 5 mm/km) i zasięgu pomiaru lustrowego od 0.7 do 7.0 km [Koc W., Chrostowski P., 2012; Kosiński W., 2010] wykonywane są we współrzędnych transformowanych dla każdego stanowiska z osobna. W celu przedstawienia całości połączenia szynowego w jednym odwzorowaniu konieczne staje się zmiana układu odniesienia, co skutkuje nałożeniem na obserwacje dodatkowego, nierównomiernie rozłożonego błędu. Co więcej, do celów projektowych nierzadko konieczne jest uzyskanie współrzędnych osi przypadających poza pomierzonymi tachimetrycznie punktami charakterystycznymi. Uzyskanie ich odbywa się przez interpolację lub aproksymację linii łączącej najbliższe punkty, oddalone od siebie niekiedy o nawet kilkaset metrów. W odróżnieniu od klasycznych, techniki satelitarne zapewniają wyznaczenia wysokiej rozdzielczości w jednolitym systemie odniesień. Tym samym możliwe jest dostosowanie aparatu obliczeniowego, by prawie zupełnie ominąć operacje skutkujące nadmiernymi błędami przybliżeń i transformacji. Wprowadzenie GNSS do aplikacji inwentaryzacyjnych i projektowych pozwala ponadto na praktyczną ocenę możliwości i ograniczeń użytkowania systemów satelitarnych w nawigacji pojazdów szynowych

130 Rysunek 40: Pomiary z lutego 2009 r. na 50 km trasie Kościerzyna- Kartuzy oraz z kwietnia 2010 r. na 20 km połączeniu Gdańsk Gdańsk Nowy Port [Specht C., Koc W., Nowak A., Szulwic J., Szmagliński J., Specht M., Czapnik M., 2012]. Inicjatywę optymalizacji metod pomiarowych i opracowania rezultatów podjął w 2009 roku na Politechnice Gdańskiej oraz Akademii Marynarki Wojennej w Gdyni. W jego prace zaangażowali się pracownicy Instytutu Nawigacji i Hydrografii Morskiej AMW oraz Katedry Inżynierii Kolejowej (a obecnie Transportu Szynowego) i Zakładu (przemianowanego na Katedrę) Geodezji na Wydziale Inżynierii Lądowej i Środowiska PG. Pierwsze badania zostały przeprowadzone tego samego roku na linii kolejowej 201 i 214, łączącej Kościerzynę i Kartuzy. Kontynuowano je w roku 2010 na odcinkach linii 249 Gdańsk Główny Zaspa Towarowa oraz 2010 Gdańsk Osowa Somonino. Rezultaty drugiego z przytoczonych objazdów przytoczono we wcześniejszym opracowaniu, definiując metodę szacowania i określając maksymalny lokalny błąd pomiaru i przybliżenia próbnego odcinka krzywoliniowego na poziomie ok. 4 cm oraz na poziomie 3 cm dla fragmentów prostoliniowych w dowolnym ich punkcie. Ponadto przeanalizowano 100-metrowy odcinek utraty ciągłości pomiaru, stwierdzając spadek dokładności wyznaczeń do ok. 6.3 cm, interpolacji krzywą kubiczną do 10 cm, natomiast aproksymacji wielomianem ciągłym 5 stopnia do 25 cm [Mindowicz M., 2014]. Rysunek 41: Przejazdy z listopada 2010 r. na odcinku 60 km Gdańsk Osowa Somonino i z lutego 2013 r. połączeniami tramwajowymi Gdańska

131 Wykonane rzutowania pozycji i obiektów liniowych na ortofotomapę dowiodły zaś, że w analizowanych przykładach błąd przybliżenia przyjmował znak przeciwny wobec błędu pomiaru, wyrównując pozycję obiektu liniowego. Zainteresowaniem zespołu była natomiast dostępność pozycji GNSS o dokładności lepszej niż 5 cm (rozumianej jako odchylenie standardowe 95% wyznaczeń). W latach 2009 i 2010 osiągała ona niezadowalające wartości, odpowiednio równe 50% i 60-70%. Stwierdzono, że głównym determinantem możliwości przeprowadzenia precyzyjnego pozycjonowania jest występowanie przesłon terenowych. Z tego względu dostosowywano układ odbiorników na platformie. Pierwszą próbę dokonano wykorzystując 4 urządzenia zamocowane na przecięciach toków szynowych i osi zestawów kołowych, podczas drugiej natomiast 3 odbiorniki znajdowały się na diametralnej wózka pomiarowego, nad osiami jego zestawów kołowych. Niewystarczająca poprawa charakterystyk rezultatów pomiaru mimo zmiany konfiguracji platformy dała impuls do gruntownej zmiany założeń. Według nowej metodyki wykonano sesję w lutym 2012 roku oraz we wrześniu 2013 roku, będącą przedmiotem niniejszego opracowania. Do przyjętych wytycznych należały: Realizacja pomiarów w trybie postprocessingu, która gwarantowała uzyskanie rozwiązania fazowego niezależnie od ciągłości połączenia z siecią GSM podczas objazdu, Rezygnacja z użytkowania serwisów ASG-EUPOS, cechujących się brakiem monitoringu i standardów wiarygodnościowych, co przekłada się na niezapowiedziane przerwy w działaniu systemu wspierającego GNSS, Dokonanie pomiaru dwusystemowego GPS+GLONASS dla polepszenia geometrii konstelacji, szczególnie istotnej dla warunków ograniczonej widoczności horyzontu, Skorzystanie z pobliskiej stacji referencyjnej Politechniki Gdańskiej, obsługującej zarówno amerykański, jak i rosyjski system satelitarny i znajdującej się w odległości nieprzekraczającej 10 km od miejsca pomiar. [Specht C., Koc W., Nowak A., Szmagliński J., 2013]. Nadmienić należy, że podczas pomiaru wykonanego w lutym 2012 roku uzyskano dużo większą dostępność wyznaczeń fazowych, tj. ok. 83% dla odbiornika Leica VIVA GS-15 oraz 72% dla odbiornika systemu 1200 GS-12. Pierwsze z urządzeń dostarczyło też znacząco dokładniejszego zbioru wyznaczeń. Z tego względu we wrześniu 2013 roku powtórzono objazd z zamocowanym odbiornikiem VIVA i kontrolerem CS-15. Zgodnie z danymi producenta

132 w mniej precyzyjnym trybie kinematycznym RTK zestaw ten osiąga dokładność średniokwadratową rms (ang. root mean square) 10mm +1ppm horyzontalnie i 20 mm +1ppm wertykalnie. Dobór tramwaju służącego jako jednostka napędowa platformy dokonano metodą eliminacji z typów użytkowanych technicznie bądź liniowo: Konstal N, produkowany w latach i użytkowany obecnie wyłącznie technicznie został wyeliminowany z powodu braku prędkościomierza, który uniemożliwiałby utrzymanie stałego tempa objazdu, Konstal 105Na produkowany między rokiem 1979 i 1992 nie został wykorzystany z uwagi na rozruch oporowy, który przy założeniu ciągłej jazdy 15 km/h na pozycjach oporowych mógłby spowodować awarię rozrusznika GNT-373, Pesa 120NaG, będący w produkcji od 2010 r. nie wybrano z racji braku możliwości przejazdu zdegradowanym torem trasy Gdańsk Stogi. Tym samym jako najlepszy z dostępnych został wybrany Düwag N8C MF należący do Zakładu Komunikacji Miejskiej w Gdańsku i wyprodukowany w roku 1983 przez niemiecką firmę Düwag (obecnie Duewag), a następnie zmodernizowany w roku 2011 w Modetrans Poznań. Platformę pomiarową oparto na wózkach przedwojennych tramwajów serii 300 z Waggonfabrik Danzig. Duża masa, brak odsprężynowania i niskie ułożenie górnej powierzchni okazały się głównymi atutami ich konstrukcji dla przejazdów eksperymentalnych. Niskie położenie zestawów zminimalizowało wpływ przesunięcia osi anteny i toru na odcinkach krzywoliniowych z przechyłką, natomiast brak amortyzacji i masa zapewniły prowadzenie się pojazdu w osi toru. Na tyle składu zainstalowano światło ostrzegawcze zasilane akumulatorem samochodowym z uwagi na brak pokładowej instalacji elektrycznej. Wytyczenia względnej pozycji anten dokonano tachimetrycznie z użyciem urządzenia Leica TCRA Wyznaczona oś toru została przeniesiona na poziom wózka, gdzie ustawiono lustra na spodarkach. Po pomiarze sprawdzającym zostały zastąpione antenami, które zostały następnie przytwierdzone uchwytami magnetycznymi do elementów stalowych znajdujących się na czopie skrętu wózka. Dodatkowe bezpieczeństwo urządzeń gwarantowały założone odciągi, które z racji niskiej prędkości objazdu okazały się zbyteczne. Co ciekawe, odbiornik dla którego odnotowano wyższe parametry dokładnościowe i dostępności, tj. Leica VIVA GS15, znajdował się bliżej jednostki napędowej. Wnioskować na tej podstawie można, że klasa wykorzystanych urządzeń ma dużo wyższy wpływ na rezultaty niż ewentualne ograniczenie

133 widoczności horyzontu przez tył tramwaju, stale znajdujący się ok. 2 m od nisko posadowionej spodarki z anteną. Opisaną konfigurację przedstawiono na poniższej ilustracji: Rysunek 42: Schemat konfiguracji platformy pomiarowej podczas objazdu w lutym 2013 roku [Specht C., Koc W., Nowak A., Szmagliński J., 2013]. Objazd w dniach r. ponowiono w powyższej konfiguracji i przy tych samych założeniach: stałej prędkości około 15 km h, wykorzystania stacji Politechniki Gdańskiej i konstelacji GPS i GLONASS oraz opracowania danych w trybie postprocessingu. Nadmienić należy, że oba eksperymenty miały miejsce przed uruchomieniem pomorskiej podsieci ASG GPS+GLONASS. Obecnie możliwe jest uzyskanie dokładniejszych poprawek sieciowych dla obserwacji dwusystemowych, natomiast nierozwiązana została kwestia braku monitorowania serwisów w czasie rzeczywistym. Funkcjonujący moduł oceny parametrów eksploatacyjnych oparty jest na danych ASGR, dostępnych z dobowym opóźnieniem. Brak bieżącego informowania użytkowników o przekroczeniu charakterystyk systemu określonych w standardzie powoduje, że nie jest możliwe jego zastosowanie w aplikacjach o wysokiej dynamice, w tym nawigacyjnych. Wymagają one podwyższonego i gwarantowanego poziomu ciągłości pozycjonowania, którego brak uniemożliwiałby uzyskanie jednorodnego modelu obiektu liniowego, a w przypadku procesu sterowania ruchem groziłby katastrofą komunikacyjną

134 Rysunek 43: Przejazd przez przystanek Brzeźno podczas sesji lutowej 2013 [fot. Czapnik M.]. Wartym zauważenia jest, że możliwości, warunki oraz ograniczenia określone na podczas objazdów eksperymentalnych dotyczą w nie mniejszym stopniu kolejowych i w ogólności szynowych użytkowników nawigacji satelitarnej. Rozwijana przez zespół implementacja danych GNSS w inwentaryzacji i projektowaniu układów geometrycznych dróg szynowych wspomoże natomiast procesy utrzymania pomocy nawigacyjnych i zakładania systemów rodzaju Positive Train Control Realizacja Sesję pomiarową przygotowano i rozpoczęto o godzinie 22:00 na Zajezdni Wrzeszcz Strzyża. Tak jak w objeździe lutowym, wybrane zostały godziny nocne z uwagi na brak liniowego ruchu tramwajowego. Działania zespołu tym sposobem nie kolidowały z codziennymi obowiązkami Zakładu Transportu Miejskiego w Gdańsku. Dane pochodzące z odbiornika Leica VIVA podzielone zostały na 7 części, podczas których pomiar był każdorazowo inicjalizowany. Szczegółowy harmonogram tras przedstawiono w tabeli 31. Uzyskane dane zawierają wynik testowego, statycznego włączenia odbiornika na pętli Łostowice Świętokrzyska. Fragment ten został pominięty w kolejnych analizach, służy natomiast przedstawieniu zastosowanej konfiguracji zestawu pomiarowego, w tym częstości próbkowania

135 czas miejsce prędkość Tabela 31: Harmonogram przejazdu we wrześniu 2013 roku. parametr odcinek / jednostka rozpoczęcia -- 22:02:54 23:49:58 00:00:22 00:23:01 01:07:07 02:07:55 zakończenia -- 23:32:39 23:53:41 00:14:55 00:58:38 02:07:22 03:54:39 przejazdu min rozpoczęcia -- zajezdnia pętla pętla przystanek Wrzeszcz Łostowice Łostowice Odrzańska Strzyża Świętokrzyska Świętokrzyska przez/ uwagi -- zakończenia -- Dworzec Główny, przystanek Urząd Miejski pętla Łostowice Świętokrzyska pomiar statyczny na pętli Łostowice Świętokrzyska objazd pętli Łostowice Świętokrzyska bez objazdu pętli Chełm Witosa przystanek Odrzańska przyst.hucisko z objazdem pętli Chełm Witosa pętla Łostowice Świętokrzyska przyst. Brama Wyżynna i Dworzec Główny zajezdnia Wrzeszcz Strzyża droga m średnia m/s mediana m/s maksymalna m/s współcz. zmienności m/s Zauważyć można, że prędkość objazdu rzadko przekraczała założone 15 km h, tj m s. Odnotowano relatywnie wysokie zmiany tempa przejazdu, sięgające 79% średniej na ostatnim odcinku. Może skutkować to nierównomiernym rozłożeniem wyznaczeń w przestrzeni, co utrudnia zadanie aproksymacji. Z drugiej strony, bezwzględna wartość odchylenia standardowego wynosi w tym przypadku jedynie 1.64 m. Objazd zakończono w punkcie s początkowym, na zajezdni Wrzeszcz Strzyża, niecałe 6 godzin później. Rysunek 44: Od lewej: Zajezdnia początkowa Wrzeszcz Strzyża, pętla Chełm Witosa w połowie trasy i pętla końcowa Łostowice Świętokrzyska [rastry z serwisu WMS portalu Geoportal]

136 Całości objazdów podczas każdej inicjalizacji odbiornika przedstawiono poniżej, uzupełniając je danymi dotyczącymi prędkości i odstępu między wyznaczeniami. Zauważalna tym samym jest zależność rozdzielczości przestrzennej od zmiennej prędkości poruszania się, stałej konfiguracji odbiornika oraz skokowo zmieniającej się widoczności horyzontu podczas objazdu. W poniższych analizach używano przybliżenia wielomianem 7 stopnia jeśli nie oznaczono inaczej, a jako dane źródłowe przyjęto jedynie punkty o dokładności lepszej niż 5 cm Predkosc chwilowa Aproksymacja wielomianem 7 st m/s Vsrednie m Rysunek 45: Trasa oraz prędkość i dystans między wyznaczeniami w funkcji drogi podczas odcinka pierwszego. Przez większą część przejazdu pierwszego skład poruszał się po względnie prostoliniowym odcinku, co umożliwiło utrzymanie stałej prędkości bliskiej 3.5 m s. Uzyskane dane cechuje niska rozdzielczość przestrzenna, wynosząca 0.28 punktu na metr trasy, co odpowiada średniemu odstępowi 3.58 m między wyznaczeniami.. Znaczny odstęp między pomiarami uniemożliwia tym samym ocenę stanu technicznego i wykrywanie ewentualnych deformacji drogi szynowej. Rezultaty wykorzystane mogą zostać natomiast do celów kartograficznych i jest możliwe na ich podstawie ustalenie przybliżonej geometrii toru. Na wykresach prędkości oraz odstępu kolejnych pozycji łatwo zauważalne są skokowe zmiany, spowodowane najprawdopodobniej postojem na światłach

137 4.5 4 Predkosc chwilowa Aproksymacja wielomianem 5 st m/s Vsrednie3 Rysunek 46: Trasa oraz prędkość w funkcji drogi podczas odcinka trzeciego. Na odcinek trzeci składają się wyznaczenia pozycji na pętli Łostowice Świętokrzyska. Średni odstęp między punktami wyniósł 0.72 m. Zobrazowanie go w zależności od drogi pokonanej w zmiennej prędkości od 0 do 4 m s pozwala natomiast ocenić dystans między wyznaczeniami dokonanymi w ruchu na ok. 3 m. Przejazd cechuje najniższa średnia rozdzielczość czasowa pomiaru, wynosząca 0.15 Hz. Wpasowanie w ortofotomapę na rysunku 46 dowodzi, że tak jak w poprzednim przypadku spełnione zostały wymagania dla aplikacji GISowych. Na potrzeby precyzyjnego modelowania pętli zalecane byłoby wykonywanie pomiaru z wyższą częstotliwością i wykonanie przejazdu z tzw. zakładką,tj. tak by wydzielony mógł zostać zbiór punktów uzyskanych podczas jazdy ze stałą prędkością, bez początkowego przyspieszania i końcowego zwalniania. Wykres 46 wskazuje natomiast na stopniowe przyspieszanie na odcinkach prostych aż do wykonania intensywnego hamowania od ok. 330 m trasy m Rysunek 47: Odległość między wyznaczeniami podczas odcinka trzeciego

138 5 4.5 Predkosc chwilowa Aproksymacja wielomianem 7 st m/s Vsrednie Rysunek 48: Trasa oraz prędkość w funkcji drogi podczas odcinka czwartego. Przejazd czwarty jest pierwszym podczas którego odbiorniki zostały skonfigurowane na wysoką częstotliwość pomiaru, wynoszącą 20 Hz i minimalnie niższą dla obserwacji odfiltrowanych. Poza ciągłością pozycjonowania w przybliżeniu jednostajnym ruchu jest to jedna z cech wyróżniających technikę ciągłego pomiaru satelitarnego opracowaną przez zespół badawczy. Podkreślić należy, że wartość tą udało się zwiększyć od 4 do 5-krotnie względem przejazdu do Somonino-Gdańsk Osowa z listopada 2010 r. Uzyskane tym samym zagęszczenie wyznaczeń do odstępu 14.3 cm umożliwia przeprowadzanie sprawdzenia odcinków na ewentualność deformacji, a nie jedynie zgrubne określenie ich lokalizacji w terenie jak w poprzednich przykładach. Podobnie jak podczas przejazdu pierwszego przez większą część m trasy utrzymywano prędkość 3.5 m s (ok km h ), zatem niższą niż pierwotnie założona o ok m. Wykresy w zależności od pokonanej drogi dla tak dużej liczby punktów przyjmują s podobny kształt, przy czym w przypadku dystansu między wyznaczeniami widoczne są również wahania wynikające z czynników innych niż prędkość platformy. Rysunek 49: Dystans między wyznaczeniami w funkcji drogi podczas odcinka czwartego

139 5 Predkosc chwilowa Aproksymacja wielomianem 7 st. 4 m/s 3 Vsrednie m Rysunek 50: Trasa oraz prędkość i dystans między wyznaczeniami w funkcji drogi podczas odcinka piątego. Fragment 5 jest kontynuacją poprzedniego na identycznej konfiguracji po postoju składu na przystanku Odrzańska. Osiągnięto podobny jak wcześniej poziom rozdzielczości przestrzennej, tj. prawie 7 punktów na metr trasy. Po objeździe pętli Chełm Witosa i zawróceniu na węźle Hucisko oraz skrzyżowaniu ulic Nowe Ogrody i Trzeciego Maja skład wrócił na pętlę Łostowice Świętokrzyska. Wśród trzech ostatnich, dłuższych odcinków o ponad wyznaczeń, ten wyróżnia się największym udziałem pozycji precyzyjnych o dokładności poniżej 5 cm, wynoszącym 94%. Jest to znakomity wynik w porównaniu do pomiarów z ubiegłych lat, kiedy jako docelowy, zadowalający poziom uznano ok. 80%. Wykresy zależności prędkości i rozstępu punktów od pokonanej drogi wskazują wprawdzie miejsca zatrzymań tramwaju, natomiast pozostałe zmiany prędkości zachodziły płynnie. Na podstawie dwóch wymienionych powyżej przesłanek stwierdzić można, że dane z objazdu piątego umożliwiają precyzyjną analizę stanu i położenia trasy szynowej prawie całości jego trasy. Do nielicznych wyjątków można wyłącznie wliczyć przemierzony tunel oraz dwa przypadki miejscowej utraty rozwiązania fazowego

140 5 Predkosc chwilowa Aproksymacja wielomianem 4 st. 4 3 m/s 2 Vsrednie m Rysunek 51: Trasa oraz prędkość i dystans między wyznaczeniami w funkcji drogi podczas odcinka szóstego. Na ostatni odcinek składa się pomiar w drodze powrotnej z pętli Łostowice Świętokrzyska na zajezdnię Wrzeszcz Strzyża, a więc wykonywany na równoległym torze do odcinka pierwszego. Fragment szósty odróżnia natomiast znacznie wyższa rozdzielczość pozycjonowania, o wartości prawie 20 punktów na sekundę i ponad 9 na metr trasy. Na niniejszym przykładzie uwidacznia się większe znaczenie rozdzielczości przestrzennej nad udziałem wyznaczeń precyzyjnych w całości danych, przyjmowanym dotychczas jako główne kryterium dokładności. Mimo najniższej względnej wartości punktów o dokładności lepszej niż 5 cm, ich zagęszczenie pozostaje najwyższym z uzyskanych podczas objazdów w dniach 19 i 20 września 2013 r. Porównując miary położenia danych prędkości medianę i średnią wnioskować można, że do zmniejszenia odstępu wyznaczeń przyczyniło się niskie tempo przejazdu. Wynosiło ono średnio 2.07 m s (tj km h ), natomiast najczęściej odnotowaną miejscowo jego wartością było 2.88 m s (czyli km h ). Tym samym pokonanie niecałych 8.5 kilometrów zajęło aż godzinę i 47 minut, jednak dzięki temu pozycja osi toru została precyzyjnie wyznaczona co średnio 10.7 cm oraz około 15 cm na podstawie wykresu 51. Rezultaty i obliczenia zawarte w niniejszym oraz kolejnych rozdziałach wykonano z wykorzystaniem programów: Microsoft Excel 2013, C-Geo wersja 8, Mathcad 14 oraz Mathcad Prime 3.0. W załącznikach 2-4 zawarto tematycznie uszeregowane, autorskie

141 funkcje zapisane w notacji dwóch ostatnich wymienionych aplikacji. Zapis opatrzono opisem formatu i rodzaju danych wejściowych oraz wyjściowych i ewentualnych ograniczeń użycia formuł. Korzystając z powyższych instrumentów obliczeniowych, zawarto w następnym punkcie zawarto opis doboru parametrów jakości obserwacji satelitarnych dla obiektów liniowych, ich oszacowanie i ocenę Kryteria dokładności pomiaru Sumaryczne porównanie kampanii pomiarowej z dni 19 i 20 września 2013 roku ze wcześniejszymi inicjatywami wymaga syntezy miar statystycznych liczebności, rozdzielczości przestrzennej i czasowej oraz dokładności wyznaczeń. Dane te przedstawiono w tabeli 32. W jej ramach przeprowadzono wyznaczenie wartości ogólnych, takich jak suma liczebności wyznaczeń precyzyjnych (o dokładności poniżej 5 cm) oraz nawigacyjnych (o dokładności poniżej 100 cm) i średnie pozostałych parametrów ważone liczebnością punktów każdego z fragmentów. Tabela 32: Wartości kryteriów oceny dokładnościowej przejazdów z dni r. parametr odcinek / jednostka Ogółem liczba punktów o dokładności <100cm udział w całości % liczba punktów o dokładności <5cm udział w całości % Dla wyznaczeń precyzyjnych o dokładności < 5 cm rozdzielczość przestrzenna średnia. czasowa średnia. 1/m Hz dokładność 2D 3D średnia m odch. standard. m średnia m odch. standard m

142 Powyższe zestawienie pozwala wyciągnąć następujące wnioski: Fazowe pomiary satelitarne o dokładności lepszej niż 5 cm cechują się średnią dokładnością ok. 1.0 cm i odchyleniem standardowym dokładności ok. 4 mm w poziomie, Dokładności trójwymiarowe pogorszone zostają względem tych na płaszczyźnie o średnio 80%, natomiast ich odchylenie standardowe o 100%, Odcinki 4, 5 i 6 odznaczają się dużo wyższymi parametrami zagęszczenia wyznaczeń, umożliwiającymi analizę lokalnego stanu torowiska, Udział wyznaczeń precyzyjnych w całości pomiaru ma dużo mniejszy wpływ na ich zagęszczenie niż ustawienia częstotliwości pozycjonowania odbiornika. Zauważyć ponadto można, że powyższe zestawienie nie umożliwia wnioskowania o ciągłości i jednorodności pozycjonowania w ruchu. W tym celu miary położenia dotyczące rozdzielczości pomiaru uzupełniono miarami ich rozproszenia, które powinny przyjmować jak najmniejsze wartości. Pod ich względem niekorzystnie wyróżnia się odcinek 4, gdzie część wyznaczeń dokonana została statycznie oraz nastąpiło przerwanie ciągłości związane z przejazdem tunelem pod węzłem Alei Armii Krajowej i ulicy Witosa. Przydatnym w poniższym porównaniu okazał się współczynnik zmienności, będący bezwymiarową wartością w postaci ilorazu odchylenia standardowego przez oczekiwaną wartość średnią. Stanowi lepszą miarę porównawczą dla zbiorów o różnej średniej. W przypadku analizowanych danych pozwala stwierdzić niewielki wpływ wahań wynoszących średnio ok. 1 punkt na metr na odcinkach 5 i 6 oraz krytyczny wpływ średnich wahań o 0.27 punktu na metr dla odcinka pierwszego. O ile w pierwszych dwóch przykładach na statystycznym metrze trasy pozostaje 18 innych wyznaczeń, o tyle dla fragmentu pierwszego utrata ¼ punktu na metrze oznacza całkowite przerwanie pomiaru. Tabela 33: Wartości klasycznych miar dyspersji rozdzielczości pomiaru eksperymentalnego. rozdzielczość czasowa przestrzenna parametr odcinek / jednostka odchylenie standardowe Hz względnie % odchylenie standardowe pkt/m względnie %

143 Kolejnym parametrem dokładności pomiaru jest poziom możliwego do obrania progu filtrowania wyznaczeń. Im mniejsza jest wybrana wartość, tym bardziej precyzyjne dane znajdują się w końcowej próbie. Z drugiej strony, zagęszczenie przestrzenne ulega pogorszeniu wraz z podwyższaniem wymagań dokładności. Na potrzeby niniejszego opracowania obrano próg 5 cm do zastosowań precyzyjnych, jak np. interpolacji składaną krzywą kubiczną. Punkty o błędzie 2σ (P=0.95) poniżej 100 cm wykorzystane mogą być z powodzeniem w funkcjach ważonych dokładnością oraz pomocniczych, np. określania drogi, prędkości i zachowania odbiornika. Wykres zależności liczebności względnej zbioru danych od zastosowanego poziomu filtrowania został przedstawiony poniżej dla odcinków o wysokiej rozdzielczości oraz całości danych. % pomiarów po filtrowaniu Odcinek 5 Odcinek 4 Całość pomiaru Odcinek 6 próg filtrowania [m] Rysunek 52: Rozkład dokładności danych przejazdów 4, 5, 6 i całości w skali logarytmicznej. Podsumowując, jako dwie główne cechy danych pomiarowych wpływające na niezawodność uzyskanego obiektu liniowego obrano średnie wartości rozdzielczości przestrzennej i dokładności 2σ (P=0.95) obserwacji oraz ich zmienność określaną odpowiednio współczynnikiem zmienności oraz odchyleniem standardowym. Wpływ pozostałych czynników jest pośredni. Tym samym, zadanie określenia osi toru funkcją podejmowane powinno być przez dobór danych o najlepszych kryteriach I stopnia, natomiast podczas

144 optymalizacji konfiguracji sesji pomiarowej rozpatrywane powinny być czynniki stopnia II. Opisywany podział przedstawiono na rysunku 53. Rysunek 53: Podział parametrów dokładności i czynników wpływających na ich wartość. W następnym rozdziale poruszono kwestię możliwości przewidywania i przeciwdziałania wystąpieniu niekorzystnych warunków pośrednio wpływających na dokładność i zagęszczenie zbioru obserwacji Determinanty jakości obserwacji Przesłony terenowe Wcześniejszy pomiar sieci tramwajowej w lutym 2013 roku dowiódł, że utrata sygnału satelitarnego dotyczy odcinków w następującym otoczeniu: Usytuowanych wzdłuż szpaleru drzew (W Gdańsku - Żabiance), Przecinających obszary zalesione (na Stogach - Plaży), Kilkupiętrowej zabudowy pierzejowej wzdłuż wąskich ulic (w Nowym Porcie), W pobliżu wysokiej zabudowy wielorodzinnej (bloków dziesięciopiętrowych w różnych częściach miasta). W celu potwierdzenia powyższych obserwacji powtórzono postępowanie według przyjętej metodologii, tj. sprawdzenia ciągłości pomiarów nałożonych na ortofotomapę. Poniżej przedstawiono przykłady dla każdej z głównych okoliczności tymczasowej utraty rozwiązania fazowego uzupełnione wizualizacją widoczności horyzontu z portalu Google Streetview tam, gdzie było możliwe jej uzyskanie. Poglądowe wymiary obiektów zakłócających odbiór podano na podstawie serwisu Geoportal

145 Rysunek 54: Utrata ciągłości w tunelu i pod wiaduktami węzła Alei Armii Krajowej i ulicy Witosa podczas przejazdu 5 i 6. Niewątpliwie wymagającym obszarem dla pomiarów satelitarnych są wielopoziomowe węzły dróg. Zaprezentowana powyżej utrata rozwiązania fazowego podczas przejazdu tam i z powrotem na węźle na gdańskim Chełmie spowodowana została także zamontowanym tam ochronnym zadaszeniem nad torami tramwajowymi z obu stron wiaduktów. Samo skrzyżowanie od strony pętli Chełm Witosa poprzedza w przybliżeniu 31.5-metrowy tunel, w którym nastąpiło całkowite zerwanie sygnału satelitarnego. Co ciekawe, łączność w obu przypadkach pozostawała podtrzymana pod sąsiadującym z północnym wyjściem przejazdu podziemnego wiaduktem o szerokości około 14 m. Pokonanie 26-metrowego odcinka pod parą kolejnych wiaduktów i stalowymi osłonami każdorazowo powodowało natomiast przełączenie na pomiar kodowy i chwilowe przerwanie obserwacji. Zachowanie ciągłości pomiaru satelitarnego w przypadku przejazdów podziemnych i zadaszonych nie jest możliwe bez dodatkowej infrastruktury. Zalecanym rozwiązaniem pokładowym może być jedynie wspierający układ inercyjny IMU, którego wskazania integrowane z danymi GNSS na odcinkach do 30 m nie powinny cechować się wysokim błędem. Rysunek 55: Tunel oraz wiadukty z zadaszeniem ochronnym nad torami tramwajowymi na węźle Alei Armii Krajowej i ulicy Witosa

146 Rysunek 56: Utrata ciągłości pod wiaduktami w okolicach przystanku Odrzańska. Podczas objazdu 5 w 3 z 4 przypadków przejazdu pod wiaduktami ulic na Zboczu oraz Stoczniowców przebiegającymi nad torowiskiem Alei Armii Krajowej doszło do przerw w pozycjonowaniu. Wiadukt pierwszej z ulic liczy ok. 6.2 m szerokości, natomiast drugiej wraz z ekranami ochronnymi ok. 17 m. Zauważyć można, że odbiornik w tych przypadkach nie zaprzestawał wyznaczać pozycji, natomiast rezultaty jego działania traciły na dokładności nawet do 50 m. Zjawisko to potwierdza konieczność stosowania filtracji danych, z którą możliwe jest odtworzenie brakującego odcinka funkcją wyznaczoną na podstawie graniczących z nim zbiorów punktów. Co ciekawe, w przypadku pokonywania trasy pod drugim, szerszym wiaduktem w kierunku północno-wschodnim nie nastąpiło zerwanie łączności. Przewidywać można, że wraz z osiągnięciem operacyjności przez konstelacje BDS i Galileo oraz pełnym wdrożeniem sygnału GPS L5 nowoczesne odbiorniki będą mogły kontynuować pomiar fazowy jedynie w oparciu o satelity znajdujące się nisko nad horyzontem. Obecne ograniczenia technik satelitarnych pod pojedynczymi obiektami mostowymi uniemożliwiają dokonanie precyzyjnej oceny lokalnej geometrii osi toru, natomiast nie stanowią problemu dla aplikacji nawigacyjnych. O ile w przypadku pomiaru eksperymentalnego utrata ciągłości nastąpiła przez odpowiednio ok. 1.7 s oraz 4.7 s dla prędkości 3 m, to już dla nawigacji samochodowej przy s dopuszczalnej w terenie zabudowanym prędkości 50 km h wynosiłaby 0.5 s i 1.2 s. Rysunek 57: Wiadukty ulic na Zboczu i Stoczniowców (w tle) nad Aleją Armii Krajowej

147 Rysunek 58: Utrata ciągłości między drzewami na ulicy 3 Maja, nieopodal pięciokondygnacyjnego Urzędu Miejskiego. Kolejny przykład z objazdu piątego stanowi potwierdzenie, że w przypadku niekorzystnej konstelacji satelitów nawet pojedyncze rozrośnięte drzewo w bezpośredniej bliskości toru spowodować może miejscowe zakłócenie działania odbiornika. Zauważyć należy, że kąt przesłonięcia horyzontu jest równy arcusowi tangensowi ilorazu jej przewyższenia względem obserwatora do odległości od obserwatora. Z tego względu odległość do przesłony ma taki sam wpływ na widoczność horyzontu jak jej wysokość. Na podstawie przybliżonej wysokości obiektu, np.. na podstawie liczby kondygnacji oraz odległości do niego wyznaczonej choćby z portalu mapowego możliwe jest zatem określenie kąta przesłonięcia horyzontu na potrzeby planowania sesji pomiarowych. Przykładowo ok. 12-metrowe drzewo znajdujące się 4.5 m od platformy pomiarowej przesłania sferę niebieską do 69º, co tłumaczy zaobserwowaną utratę dokładności. Na podstawie wykresu funkcji stwierdzić można, że dynamiczna zmiana następuje do stosunku wysokości przesłony do odległości równego ok. 2:1, dla którego kąt przesłonięcia wynosi 63.4º. Rysunek 59: Zależności kata przesłonięcia horyzontu od względnego przewyższenia i odległości obserwatora od przesłony, gdzie x = h d

148 Rysunek 60: Obserwacje niskiej dokładności na Alei Zwycięstwa w bliskości szpaleru drzew. Podobna sytuacja miała miejsce podczas przejazdu powrotnego Aleją Zwycięstwa. Na podstawie zdjęć i obserwacji można stwierdzić na tym odcinku niejednorodne przesłonięcie horyzontu od kierunku północno-wschodniego szpalerem drzew. Z uwagi na gałęzie ponad osią toru kąt przesłonięcia określić można jako przekraczający 90º. Warte odnotowania jest, iż nie nastąpiło przerwanie ciągłości pomiaru. Uzyskane wyznaczenia cechują się natomiast relatywnie niską dokładnością, na poziomie odpowiednim dla aplikacji mapowych bądź nawigacyjnych, lecz niewystarczającym dla inżynierskich bez wykluczenia elementów odstających. Rysunek 61: Utrata ciągłości w bezpośredniej bliskości zabudowy trzykondygnacyjnej przy przystanku Galeria Bałtycka. Zdecydowanie niekorzystne zjawisko zostało odnotowane nieopodal przystanku Galeria Bałtycka, gdzie na skutek poruszania się w bliskości nawet zaledwie 3 m od zabudowań dwu- i trzykondygnacyjnych nastąpiła utrata dokładności z przesunięciem w płaszczyźnie całych

149 odcinków pomiarów. Podejrzewać można, iż oprócz zerwania kontaktu z częścią śledzonych przez odbiornik satelitów mógł być wykorzystywany sygnał odbity. Przykład ten obrazuje ponadto dużo znaczniejszy wpływ przesłon litych (budynki, wzgórza, mosty i zadaszenia) nad nieregularnymi (drzewa, krzewy, słupy reklamowe, płoty). Ocena geometrii osi toru na potrzeby ewentualnej przebudowy na przesłoniętym odcinku możliwa jest obecnie technikami satelitarnymi jedynie przy planowaniu sesji specjalnie dla powyżej przedstawionej lokalizacji. Rysunek 62: Pomiar bardzo niskiej dokładności w sąsiedztwie zabudowy piętrowej i obustronnego szpaleru drzew nieopodal przystanka Zamenhofa. Przejazd wzdłuż obustronnych szpalerów drzew odnotowano na Alei Wojska Polskiego koło przystanku Zamenhofa. Znajdują się one w znacznie większej odległości od torowiska równej około 16.0 i 11.5 metrów. Wysokość drzew górujących nad 3-kondygnacyjnym budynkiem wielorodzinnym z poddaszem oszacowano na około 12 metrów. Tym samym kąty przesłonięcia wyniosły odpowiednio 37º oraz 46º, zatem zdecydowanie mniej niż we wcześniej opisanych sytuacjach. Przyczyną widocznej na rysunku 62 utraty rozwiązania fazowego mogło przesłonięcie znacznie większej części sfery niebieskiej z uwagi na obustronne występowanie szpalerów oraz ograniczenie widoczności w kierunku południowym, mającej kluczowe znaczenie w wyższych północnych szerokościach geograficznych. Rysunek 63: Szpalery drzew po przeciwnych stronach Alei Wojska Polskiego

150 Rysunek 64: Utrata ciągłości w bezpośredniej bliskości zabudowy dwukondygnacyjnej na terenie zajezdni Wrzeszcz Strzyża. Jako ostatni przykład wybrano przejazd pomiędzy stosunkowo niską, dwukondygnacyjną zabudową zajezdni tramwajowej Wrzeszcz Strzyża, znajdującej się ok. 4 m od osi toru w kierunku północno-zachodnim oraz 10 m w kierunku południowo-wschodnim. Pomiar podczas przejazdu nie został przerwany, nastąpiła natomiast znacząca degradacja jego dokładności i rozdzielczości przestrzennej, uwidoczniona rozproszeniem punktów nałożonych na ortofotomapę. Przybliżone kąty przesłonięcia horyzontu w niniejszym przypadku wyniosły 51º dla bliższej ściany oraz 31 º dla dalszej. Ewentualne podniesienie anteny na ustabilizowanej tyczce na platformie pomiarowej mogłoby zredukować te wartości do ok. 37 º i 22º. Rozwiązanie takie wymagałoby natomiast zapewnienia stabilizacji mocowania na wypadek wstrząsów oraz wyznaczania poprawki dla obserwacji na łukach z przechyłką na podstawie dodatkowych danych inercyjnych przechylenia platformy. Podsumowując, wyróżniono następujące warunki otoczenia uniemożliwiające dokonywanie pomiarów ciągłych: Przejazd tunelami podziemnymi, Przejazd pod wiaduktami o szerokości od 6 m, w zależności od geometrii konstelacji. Jako obiekty ograniczające jakość obserwacji do poziomu niewystarczającego do zastosowań inżynierskich zidentyfikowano: Obustronne szpalery drzew wzdłuż linii, Obustronną zabudowę dwukondygnacyjną w odległości mniejszej niż ok. 10 m, Zabudowę trzykondygnacyjną w odległości ok. 5 metrów od trasy platformy

151 Przesłonami degradującymi rozdzielczość i dokładność pomiarów w analizowanej sesji były: Pojedyncze wysokie drzewa liściaste bezpośrednio przy torowisku, Jednostronne równoległe szpalery drzew przesłaniające horyzont od strony północnej. Wśród możliwych sposobów ograniczenia niekorzystnego wpływu zmniejszonej widoczności horyzontu w warunkach miejskich i na obszarach zadrzewionych sugeruje się uzupełnienie obserwacji satelitarnych wskazaniami systemu inercyjnego i planowanie sesji pomiarowych na podstawie dostępnych danych szacunkowych dla odcinków krytycznych. Podwyższenie lokalizacji anteny wymaga dalszych badań i zaprojektowania rozwiązania, które umożliwiałoby zapewnienie sztywności jej powiązania z platformą pomiarową, bezpiecznej odległości od linii trakcyjnych oraz wyznaczenia poprawki pozycji przy odchyleniu na łukach z przechyłką, np. na podstawie danych kątowych przechylenia platformy pochodzących z innego systemu pokładowego. Zaznaczyć należy, że eksperyment wykazał osiągnięcie poziomu ciągłości i dokładności wystarczających dla aplikacji mapowych i nawigacji pojazdów szynowych na całości trasy, zaś powyższe uwagi dotyczą uzyskania dokładności precyzyjnej obiektów liniowych do celów inżynierskich i projektowych w warunkach znacznego przesłonięcia sfery niebieskiej Odległość od stacji referencyjnej Dystans odbiornika ruchomego do stacji referencyjnej nieraz przywoływany jest jako jeden z ważniejszych czynników wpływających na dokładność pomiaru fazowego. Mimo niewielkiego dystansu do odbiornika bazowego, wynoszącego podczas sesji z 19 na 20 września 2013 r. średnio 3402 m, zdecydowano się zbadać niniejszą korelację. Jako okoliczność sprzyjającą temu celowi uznać można zróżnicowanie dystansu do stacji Politechniki Gdańskiej, wynoszące od m do m w najdalszym punkcie. Przedstawiane dane uzyskano stosując funkcję opisaną w punkcie 4.23 załączników z podstawieniem współrzędnych anteny bazowej zestawionych poniżej. Tabela 34: Współrzędne punktu bazowego stacji referencyjnej Politechniki Gdańskiej. Współrzędne płaskie [m] Wysokość [m] Odstęp geoidy od Y2000 X2000 elipsoidalna ortometryczna elipsoidy[m]

152 Dobór próby do zadania przeprowadzono iteracyjnie usuwając z całości dostępnego zbioru pomiarów obserwacje o niskiej dokładności. Głównym utrudnieniem okazało się być zidentyfikowanie i wykluczenie zmienności dokładności wynikającej z pozostałych czynników, przede wszystkim występowania przesłon terenowych. Kolejne rozkłady przedstawiano na wykresach, by uniknąć wnioskowania jedynie z miar i testów statystycznych, które dla różnych prób mogą zwrócić podobne parametry (zjawisko kwartetu Anscombe'a). Pośrednie rezultaty zobrazowano w załączniku 5, na który składają się wykresy zależności dokładności od dystansu do stacji bazowej dla zbiorów danych: 1. całej sesji pomiarowej, 2. przejazdu szóstego, 3. obserwacji o dokładności lepszej niż 100 cm z przejazdu szóstego, 4. obserwacji o dokładności lepszej niż 5 cm z przejazdu szóstego. Powyższe kroki nie pozwoliły sformułować wiążących wniosków, stąd też zawężono próbę do odcinków odległych od stacji referencyjnej o ok do 5500 m, gdzie odnotowano ciągłość pozycjonowania fazowego. W tak zdefiniowanym zbiorze znalazło się punktów. Mimo dalszej, wysokiej zmienności dokładności pomiaru zauważono minimalną tendencję wzrostową. W celu lepszej oceny wizualnej rozproszenia wykorzystano aproksymację wielomianem 5 stopnia oznaczanym kolorem zielonym, natomiast ewentualną zależność między badanymi wartościami określano regresją prostą. Wykres pierwszej próby, dla której odnotowano pozytywną korelację obu wartości przedstawiono poniżej: Błąd pozycji (P=0.95) [m] Dystans do stacji ref. [m] Rysunek 65: Zależność dokładności pozycjonowania od dystansu do stacji referencyjnej podczas objazdu dokładności lepszej niż 1 m i odległości od ok do 5500 m

153 Zależność wykazywana na dostępnym zbiorze obserwacji powinna mieć jak najmniej założeń, a więc dotyczyć wykorzystywanej stacji bazowej Politechniki Gdańskiej w trybie postprocessingu. Z tego względu do dalszej analizy wykorzystano dane z całej sesji pomiarowej, zachowując pozostałe warunki doboru próby. Na uzyskanym rozkładzie widoczniej zaznaczała się zależność między obiema zmiennymi na podstawie obserwacji. Błąd pozycji (P=0.95) [m] Dystans do stacji ref. [m] Rysunek 66: Zależność dokładności pozycjonowania od dystansu do stacji referencyjnej całej sesji pomiarowej dla dokładności lepszej niż 1 m i odległości od ok do 5500 m. Dalszą analizę przeprowadzono wyłącznie dla obserwacji fazowych, o dokładności lepszej niż 5 cm. Mimo wykluczenia elementów odstających trend pozostał zauważalny. Pozostawienie jedynie punktów pozycjonowanych precyzyjnie pozwoliło nieznacznie rozszerzyć badany przedział dystansu od stacji, w którym znalazły się wyznaczenia. Błąd pozycji (P=0.95) [m] Dystans do stacji ref. [m] Rysunek 67: Zależność dokładności pozycjonowania od dystansu do stacji referencyjnej całej sesji pomiarowej dla dokładności lepszej niż 5 cm i odległości od ok do 5500 m

154 Próbę ograniczono w dalszym ciągu do wyznaczeń o dokładności lepszej niż 2.5 cm, aby doprowadzić do porównania dokładności jedynie wyznaczeń fazowych dokonanych we wzorowych warunkach pomiaru, niezakłóconych przez pozostałe czynniki. W tak zdefiniowanym zbiorze znalazło się wyników przedstawionych poniżej. Błąd pozycji (P=0.95) [m] Dystans do stacji ref. [m] Rysunek 68: Zależność dokładności pozycjonowania od dystansu do stacji referencyjnej całej sesji pomiarowej dla dokładności lepszej niż 2.5 cm i odległości od ok do 5500 m. Po zaakceptowaniu powyżej przedstawionych rozkładów jako optymalne do zbadania zależności na podstawie otrzymanych danych wyznaczono dla ich prób następujące liczbowe miary zależności: parametr kierunkowy regresji prostej dokładności względem dystansu do stacji referencyjnej, błąd parametru kierunkowego regresji prostej, współczynnik determinacji R 2, przyjmujący wartości z przedziału [0; 1], gdzie dla 0 model nie wyjaśnia zmienności zmiennej objaśnianej, a dla 1 wyjaśnia ją całkowicie. Powyższe wartości zostały wyznaczone własnymi funkcjami w notacji programu Mathcad, przedstawionymi w poprzednim opracowaniu [Mindowicz M., 2012]. Uzupełniono je wynikami zastosowania funkcji oferowanych przez program do obliczenia: współczynnika korelacji rang Spearmana (oznaczanego różnie, m.in. ρ s ), przyjmującego wartości z przedziału [ 1; 1], gdzie wartości skrajne wskazują występowanie silnych zależności monotonicznych, również nieliniowych: tau Kendalla (τ), przyjmującego wartości z przedziału [ 1; 1] i również będącego miarą zależności monotonicznej 2 zmiennych, określającego różnicę prawdopodobieństwa, że

155 dla pary wartości pierwszej i drugiej zmiennej zajdzie jednoczesny wzrost i prawdopodobieństwa jednoczesnego spadku obu wartości: P x x y y 0 P[ x x y y 0, (3.1) [ i i1 i i1 i i1 i i1 gdzie i jest numerem porządkowym wartości identycznej długości zmiennych x i y z przedziału od 1 do długości wektorów pomniejszonej o 1. Zestawienie tak oszacowanych parametrów przedstawiono poniżej. Tabela 35: Zestawienie miar oceny zależności między odległością do stacji referencyjnej a dokładnością pomiaru fazowego według danych eksperymentalnych. parametr nr wykresu próby liczebność próby parametr kierunkowy regresji prostej rząd wielkości błąd parametru kierunkowego rząd wielkości współczynnik determinacji R Rho Spearmana Tau Kendalla Powyższe statystki w klasycznej interpretacji nie wskazują jednoznacznie na występowanie zależności między zmiennymi dla obranych prób. Zauważyć jednak należy, że w różnych dziedzinach przyjmuje się różne ich poziomy jako statystycznie istotne. Z uwagi na wykorzystanie prób z ponownych inicjalizacji odbiornika wykazano, że powyższa tendencja jest powtarzalna, a prawdopodobieństwo spadku dokładności w miarę oddalania się od stacji bazowej wynosi ok. 1:3. Przyjmując rozkłady z wykresów 66, 67 oraz 68 za reprezentatywne z uwagi na wykorzystanie pomiarów z całej sesji, wielkość ewentualnego wzrostu odchylenia standardowego pozycji określić można jako równą ok.1.6 mm/km mm/km, tj ppm. Wartość tą wyznaczono jako średnią przy wagach 0.50 dla próby wykresu nr 68 oraz 0.25 dla prób wykresów nr 66 i

156 Częstość pozycjonowania Wysoka rozdzielczość przestrzenna pozycji, niezbędna do przeprowadzania oceny stanu geometrycznego osi toru, stanowi jednocześnie znaczne utrudnienie dla procesów obliczeniowych wpasowania obiektów liniowych. Z racji zależności od innych czynników pomiarowych oraz wpływu na parametry wyznaczonego obiektu liniowego zakwalifikowano ją jako czynnik bezpośredni (rysunek 53). Tym samym korelacja między częstością pozycjonowania na płaszczyźnie, a uzyskiwanymi rezultatami będzie badana na podstawie oceny dokładności wyników działania algorytmów znajdujących funkcje najlepiej wpisujące się w zbiory danych, w tym: regresji liniowej prostej i ważonej dokładnością pomiarów, aproksymacji wielomianowej ciągłej różnych stopni, aproksymacji wielomianowej składanej trzeciego stopnia. Najsłabsza zależność między rozdzielczością przestrzenną pomiaru a dokładnością wyznaczanej funkcji zachodzi w przypadku regresji liniowej. Zauważyć należy, że dla punktów w przybliżeniu współliniowych niezależnie od ich liczebności parametry prostej szacowane będą na tym samym poziomie. Potwierdza to wykres 69, na którym dokonano oszacowania błędu średniego aproksymacji w zależności od liczebności zmiennych objaśniających. Średnie odchylenie funkcji od danych [cm] prosta 2 prosta 1 Liczba punktów między węzłami Rysunek 69: Odchylenie prostej regresji ważonej od danych dla malejącej liczby punktów źródłowych aproksymacji na podstawie analizowanych prostych. Przybliżono wielomianem stopnia

157 Elementem zakłócającym wynik regresji prostej są natomiast obserwacje o wysokim błędzie pozycjonowania. Oba te czynniki skłaniają do przeprowadzania filtrowania obserwacji pod względem dokładności pomiaru. Dla regresji ważonej tą wartością natomiast problem nie zachodzi i wskazane jest wykorzystanie całego zbioru danych, niezależnie od rozdzielczości przestrzennej. Znacznie silniejsza zależność między rozdzielczością przestrzenną badanego odcinka, a dokładnością wpasowania funkcji zachodzi dla ciągłej aproksymacji wielomianowej. Występuje w tym przypadku tzw. zjawisko Runge a, polegające na występowaniu oscylacji wielomianów aproksymujących wysokich stopni wyznaczonych na podstawie w przybliżeniu równoodległych punktów danych. Fenomen ten jest możliwy do eksperymentalnego zaobserwowania i skłania do przeprowadzenia dopasowania stopnia wielomianu aproksymującego do danego zbioru danych. Wyniki tej operacji oszacowania średnich odchyleń przybliżenia wielomianem od danych względem jego stopnia zaprezentowano poniżej dla danych analizowanych odcinków prosto- i krzywoliniowych. Średnie odchylenie funkcji od danych [m] prosta 2 Średnie odchylenie funkcji od danych [m] łuk 1 prosta 1 Stopień wielomianu łuk 2 Stopień wielomianu Rysunek 70: Określenie występowania zjawiska Runge a na podstawie odchyleń wielomianów aproksymujących kolejnych stopni. Ekstremalny przypadek powyższego zjawiska zaprezentowano w załączniku 5.5. W celu optymalizacji stopnia wielomianu posłużono się w dalszym opracowaniu następującymi miarami jakości dopasowania: Sumą kwadratów odchyleń wektora od punktów danych, liczoną jako:

158 gdzie: x i jest zmienną objaśnianą, SKO y i jest zmienną objaśniającą, i n1 2 ( x W ( )), (3.2) i y i W ( y i ) jest wartością wielomianu aproksymującego n-tego stopnia. Średniokwadratowym Błędem Aproksymacji (ang. Root Mean Square Error of Approximation RMSEA), wyznaczanym jako: gdzie: Nc Np jest liczbą przyjętych kategorii, RMSEA jest liczebnością danych źródłowych, 2 Nc n 2 Nc n 2 Np 1, (3.3) Nc n2 przyjęto jako liczbę stopni swobody modelu, tj. równą liczbie danych pomniejszonych o 1 i liczbę parametrów wielomianu stopnia n [Williams J. M., 2010], 2 jest miarą zgodności szacowaną dla wartości funkcji przybliżającej względem danych źródłowych jak przedstawiono poniżej. gdzie: X j Statystyką χ 2 dla aproksymacji wielomianowej, szacowaną jako 2 Nc X j K 2 j 1, (3.4) j1 ( X j ) Nc n 2 jest średnią zmiennej objaśnianej w przedziale kategorii j, K j jest średnią wartości wielomianu aproksymującego stopnia n w przedziale kategorii j, ( X j ) jest odchyleniem standardowym z próby wartości zmiennej objaśnianej w przedziale kategorii j. Możliwa jest również wizualna ocena wpasowania wielomianu, umożliwiająca zidentyfikowanie przybliżeń o zmienności wykraczającej poza zróżnicowanie danych. Przykład takiego wpasowania przedstawiono poniżej, z widocznymi oscylacjami funkcji nie znajdującymi odpowiednika w wahaniach pozycji

159 Odchylenie od prostej regresji ważonej [m] Długość odcinka [m] Rysunek 71: Odchylenie prostej nr 1 od prostej regresji ważonej aproksymowane wielomianem 12 stopnia. W celu oceny wpływu zagęszczenia pozycji na dokładność interpolacji sklejaną krzywą wielomianową 3 stopnia obliczono jej odchylenia od współrzędnych danych źródłowych podczas szacowania parametrów modelu na podstawie pomniejszonej liczby obserwacji. Obliczenia zostały oparte na zbiorach danych 2 analizowanych odcinków prostoliniowych z uwagi na zależność tak zdefiniowanych różnic od krzywizny obiektu liniowego. Średnie odchylenie funkcji od danych [cm] prosta 2 prosta 1 Liczba punktów między węzłami Rysunek 72: Średnie odchylenia interpolacji krzywą kubiczną dla malejącej liczby zmiennych objaśniających na podstawie analizowanych prostych. Przybliżono wielomianem stopnia

160 Ekstrapolacja wartości średnich odchyleń krzywej kubicznej za pomocą wielomianu pozwala określić teoretyczny błąd wpasowania pomiędzy węzłami interpolacji w każdym punkcie jako równy ok. 6 mm. Dla odcinków krzywoliniowych zaproponowano technikę bezpośrednią wyznaczania niniejszej wartości przez porównanie średnich współrzędnych 2 kolejnych punktów danych z wartościami osiąganymi przez interpolację sklejaną dla średniej 2 kolejnych zmiennych objaśniających. Średnia niniejszych przyrostów, przedstawionych na rysunku 73 jako Δ b1 i Δ b2, jest tym samym miarą zaokrąglenia połączenia kolejnych punktów przez wielomian. Stanowi tym samym miarę możliwych lokalnych odchyleń interpolacji krzywą sklejaną od sytuacji rzeczywistej, oznaczonej jako Δ a. Rysunek 73: Metoda szacowania lokalnego odchylenia krzywej kubicznej [Koc W., Specht C., Mindowicz M., 2014]. Skutkiem określenia wpływu zagęszczenia przestrzennego danych zdecydowano się na potrzeby opracowania zastosować podczas aproksymacji następujące rozwiązania: Ważenie regresji liniowej błędem pozycji pomiarów na płaszczyźnie z uwagi na dokonywanie aproksymacji jedynie współrzędnych płaskich, Optymalizację stopnia wielomianu aproksymującego pod względem parametrów sumy kwadratów odchyleń od danych oraz 2 do stopnia 20, Oszacowanie przybliżonej dokładności interpolacji krzywą sklejaną za pomocą funkcji w węzłach w co drugim punkcie (poglądowo) oraz średniej odchyleń krzywej od średnich współrzędnych każdych dwóch kolejnych punktów danych Wpasowanie obiektów liniowych Odcinek prostoliniowy Wpasowanie obiektów liniowych w dane pomiarowe poprzedzono określeniem parametrów próbnych odcinków objazdu, których przedziały współrzędnych zostały następnie zawężone aż do otrzymania fragmentów o jednorodnym kształcie pojedynczych prostych

161 lub łuków. Miary statystyczne testowych odcinków, przedstawione w załączniku 1.3, wykazały występowanie miejscowych utrat dokładności spowodowanych mijaniem przesłon terenowych. O ile dla zastosowań nawigacyjnych wystarczające jest odfiltrowanie elementów odstających, to zachowanie wysokiej rozdzielczości przestrzennej niezbędnej przy pomiarach inżynierskich wymaga dostosowania metody obliczeń, w tym regresji liniowej. By uwzględnić wpływ danych na szacowane parametry wykorzystano błąd pozycjonowania zapisywany przez odbiornik satelitarny. Metodą Gaussa, nazywaną też metodą najmniejszych kwadratów dokonano wyznaczenia parametrów prostej przybliżającej położenie osi toru określonej wzorem: y obl i a x b, (3.5) i gdzie: obl y i jest wartością przybliżoną współrzędnej objaśnianej i-tego punktu, x i a b jest wartością pomierzoną współrzędnej objaśniającej i-tego punktu, jest parametrem kierunkowym prostej regresji, jest wyrazem wolnym prostej regresji Wykonanie obliczeń niniejszym sposobem uzasadnione jest znacznym nadokreśleniem rozwiązywanego układu równań, rozumianym jako przewaga liczby zmiennych (punktów współrzędnych) nad liczbą szacowanych wielkości, w tym przypadku dwóch. Rezultatem są takie wartości a i b, dla których występuje minimalna suma kwadratów odchyleń danych od wartości funkcji liniowej, równa: gdzie: n 2 yi a xi b i1 a, b (3.6) 2 i 2 i jest błędem pozycjonowania współrzędnych i-tego punktu. Przez zróżniczkowanie i przyrównanie do zera formuły 3.6 otrzymuje się układ równań, w którym występują szukane wartości: 2 a b 2 n i1 n i1 i i 2 i i yi a xi b xi 2 0 (3.7) y a x b 0,

162 po uporządkowaniu zmiennych możliwe jest natomiast wyznaczenie parametrów prostej:, n i i i n i i i n i n i i i i i n i i i i i n i i i n i i i n i i i n i i i n i i i n i i i i i x x n y x x y x b x x n y x y x n a (3.8) gdzie: n jest liczbą punktów współrzędnych danych źródłowych. Praktyczną, autorską implementację powyższych i związanych z nimi równań do programu obliczeniowego Mathcad przedstawiono w załączniku 3. Wzorcowego opracowanie przeprowadzono na podstawie 2 odcinków prostych: nr 1 z przejazdu 5 (w kierunku pętli Łostowice Świętokrzyska) oraz nr 2 z przejazdu 6 (w kierunku zajezdni Wrzeszcz Strzyża) na ul. Václava Havla. Wykres ich wpasowania w zredukowanych współrzędnych 2000 wykonany w programie Mathcad nałożono na ortofotomapę serwisu Geoportal, uzyskując poniższą wizualizację. Rysunek 74: Lokalizacja odcinków prostoliniowych nr 1 i 2 przy ulicy Havla w Gdańsku. X [m] Y [m] prosta 1 prosta 2

163 Pomiar na powyżej przestawionych fragmentach przejazdu odbywał się nieprzerwanie w technice fazowej, z rozdzielczością około 20 Hz. Na obu odcinkach, o długości odpowiednio m dla prostej 1 i m dla prostej 2 rozdzielczość przestrzenna wyniosła ponad 5.5 punktu na metr trasy. Wykres dystrybuanty dokładności danych przedstawiono poniżej, natomiast szczegółowe miary statystyczne dołączono w części 1.4 załączników. % pomiarów po filtrowaniu prosta 2 prosta 1 próg filtrowania [m] Rysunek 75: Dystrybuanta dokładności punktów w próbach pomiarowych odcinków prostoliniowych przy ulicy Wacława Havla. Na prostej nr 1 stwierdzono pogorszenie dokładności wyznaczeń fazowych na odcinku długości ok. 50 m. Z tego względu dokładność średnia wyniosła milimetr więcej niż mediana, równa 9 mm. Błąd pozycji (P=0.95) [m] Długość odcinka [m] Rysunek 76: Dokładność wyznaczeń podczas przejazdu prostą nr

164 Pomiar przejazdu prostą nr 2 odbywał się z równomierną dokładnością średnią i medianą równą 8 mm. Przybliżenie jej wielomianem 7 stopnia pozwala stwierdzić brak większych odchyleń od tych wartości. Błąd pozycji (P=0.95) [m] Długość odcinka [m] Rysunek 77: Dokładność wyznaczeń podczas przejazdu prostą nr 2. Oceny lokalnej dokładności wpasowania dokonano porównując dla każdej zmiennej y współrzędne z regresji oraz pomierzone. Po transformacji współrzędnych względem wyznaczonej prostej oszacowano maksymalne odchylenia względem kierunku przemieszczania się platformy pomiarowej przybliżone wielomianem 7 stopnia. Dla odcinka nr 1 wyniosły 2.9 cm oraz -2.2 cm, gdzie wartości dodatnie znajdują się na lewo od prostej. Odchylenie od prostej regresji ważonej [m] Długość odcinka [m] Rysunek 78: Odchylenia pomiaru od wpasowanej prostej nr

165 Na przedstawionych wykresach odchyleń kolorem ciemnoniebieskim przedstawiono różnicę współrzędnych pomiarowych, błękitnym ich aproksymację wielomianem 7 stopnia, natomiast linią czerwoną sumę aproksymacji odchylenia i błędu pozycji pomiaru (P=0.95). Ostatnia wartość jest złożeniem miary geometrycznej - odległości między współrzędnymi pomierzonymi, a przybliżonymi funkcją liniową - i statystycznej, tj. maksymalnego odchylenia 95% wyznaczeń w danym punkcie (2σ). Wartości te mogą przyjmować wzajemnie przeciwne znaki w zależności od kierunku błędu pozycjonowania, zatem suma stanowi ich łączną wartość maksymalną. Tym samym stwierdzić można z prawdopodobieństwem minimum 95%, że faktyczna pozycja osi toru nie jest w danym punkcie bardziej odległa od przybliżonej na podstawie pomiarów niż o wartość wskazywaną czerwoną linią. Tak zdefiniowane sumaryczne odchylenia wyniosły maksymalnie 3.8 cm i -3.9 cm na prostej nr 1 oraz 3.5 cm i -3.8 cm na prostej nr 2, co zaprezentowano poniżej. Odchylenie od prostej regresji ważonej [m] Długość odcinka [m] Rysunek 79: Odchylenia pomiaru od wpasowanej prostej nr 2. Zauważyć można, że na analizowanych odcinkach również zachodzą zmiany zwrotu osi toru. Ich rejon pokrywa się z miejscami maksymalnych wychyleń wpasowywanej funkcji od współrzędnych pomierzonych, tj. na ok. 60, 330, 510 i 590 metrze odcinka nr 1 oraz 130, 330, 480 i 570 metrze odcinka nr 2. Z uwagi na powyższe zdecydowano się wydzielić krótsze fragmenty, w których skład nie będą wchodzić wymienione zakrzywienia trasy. Dla wszystkich aproksymowanych przedziałów wyznaczono także wartości liczbowe:

166 Parametrów wyrazu wolnego b oraz kąta zwrotu prostej φ na podstawie aproksymacji funkcją liniową współrzędnych x i y punktów pomiaru w układzie 2000, Przyrostów powyższych parametrów wynikłych z ważenia regresji błędem pozycjonowania obserwacji 2σ zapisywanym przez odbiornik, Błędu standardowego regresji i współczynnika rozbieżności Z współrzędnych pomierzonych, opisanych w poprzednim opracowaniu [Mindowicz M., 2012], ρ Spearmana i τ Kendalla, opisanych wcześniej w rozdziale i wyznaczonych na podstawie wbudowanych funkcji programu Mathcad. Niewielkie zróżnicowanie dokładności na badanych fragmentach spowodowało, że przyrosty z ważenia funkcji okazały się minimalne. Z uwagi na większą czytelność w tabeli 36 przedstawiono ich wartości bezwzględne. Zaprezentowane współczynniki ρ i τ pozostawały całkowitymi do 15 miejsca po przecinku. Tabela 36: Rezultaty ważonej regresji liniowej prostych nr 1, 2, 3 i 4. parametr nr prostej wyraz wolny regresji [m] kierunek zwrotu prostej [º] przyrost wyrazu wolnego z ważenia [m] zmiana kierunku prostej z ważenia [º] Błąd standardowy regresji rząd wielkości współczynnik rozbieżności Z rząd wielkości ρ Spearmana τ Kendalla Wpasowania precyzyjnego prostych dokonano na odcinku nr 3, liczącym m z przejazdu 5 oraz odcinku nr 4, mającym m długości z przejazdu 6. Fragmenty te zawierają się w odcinkach 1 i 2, stąd cechują się bardzo zbliżoną średnią rozdzielczością czasową i przestrzenną pomiaru. Szczegółowe miary statystyczne przedstawiono w załączniku 1.4., natomiast lokalizacją przedstawiono ponownie wpasowując wykres zredukowanych współrzędnych w ortofotomapę. Zauważyć należy, że niniejsze pomniejszenie współrzędnych układu 2000 nie powoduje dodatkowego błędu transformacji

167 prosta 3 prosta 4 Rysunek 80: Lokalizacja odcinków prostoliniowych nr 3 i 4 przy ulicy Havla w Gdańsku. Jak widać powyżej, zakres dobrano tak, by dokonać wpasowania przynajmniej 1 osi toru większej części torowiska przy ul. Havla. W skład prostej nr 3 nie wszedł natomiast przedział odcinka nr 1 cechujący się obniżeniem dokładności pozycjonowania. Na pokonanych 223 metrach trasy nie wystąpiły większe wahania błędu pozycjonowania, którego średnia i mediana wyniosły 8 mm. Błąd pozycji (P=0.95) [m] Długość odcinka [m] Rysunek 81: Dokładność wyznaczeń podczas przejazdu prostą nr

168 Nieznacznie większa zmienność błędu pozycjonowanie miała miejsce w czasie przejazdu prostą nr 4. W tym przypadku mediana na skutek odchyleń między 50 a 60 oraz 80 a 90 metrem wyniosła 1 mm mniej od średniej, równej 9 mm. Większość pozycji natomiast nie przekroczyła subcentrymetrowego poziomu dokładności. Błąd pozycji (P=0.95) [m] Długość odcinka [m] Rysunek 82: Dokładność wyznaczeń podczas przejazdu prostą nr 4. Wykres odchyleń fragmentu 3 od współrzędnych aproksymowanych umożliwia stwierdzenie, że na odcinku nie zachodziły celowe zmiany zwrotu trasy. Maksymalne różnice współrzędnych pomierzonych i aproksymowanych wyniosły ok. 4.5 mm na lewo i prawo względem kierunku przemieszczania się platformy. Odchylenie od prostej regresji ważonej [m] Długość odcinka [m] Rysunek 83: Odchylenia pomiaru od wpasowanej prostej nr

169 Nieco lepsze rezultaty wpasowania uzyskano dla odcinka 4, na którym odchylenia prawo- i lewostronne nie przekroczyły 4 mm. Również w tym przypadku stwierdzono brak zaprojektowanych zakrzywień osi toru. Odchylenie od prostej regresji ważonej [m] Długość odcinka [m] Rysunek 84: Odchylenia pomiaru od wpasowanej prostej nr 4. Łączny, maksymalny możliwy błąd pozycji rzeczywistej względem aproksymowanej osi toru określić można z prawdopodobieństwem 95% (2σ) jako 1.1 cm i -1.3 cm dla prostej nr 3 oraz 1.3 cm i -1.2 cm dla prostej nr 4, gdzie wartości dodatnie oznaczają odchylenie lewostronne, a ujemne prawostronne względem kierunku przemieszczania się platformy pomiarowej. Poza wymienionymi wcześniej uwagami dotyczącymi sumowania wartości geometrycznej i statystycznej zauważyć należy, że niniejsza wartość jest lokalnym maksimum dla przedziału źródłowych współrzędnych. Metoda wpasowania prostej została natomiast usprawniona tak, by suma obustronnych różnic o przeciwnych znakach wynosiła zero, uwzględniając zróżnicowanie dokładności samego pomiaru. Podsumowując powyższe, stwierdzić można, że ciągłe pomiary satelitarne na odcinkach prostoliniowych wykorzystywane mogą być w zastosowaniach inżynierskich wymagających około-centymetrowej dokładności

170 Odcinek krzywoliniowy Modelowanie rejonu zmiany kąta zwrotu osi toru stanowi bardziej złożone zadanie obliczeniowe, do którego wykonania zastosowano metody takie, jak: Ciągła aproksymacja wielomianowa, z estymacją parametrów funkcji danej równaniem: gdzie: y obl x i 2 3 n x a a x a x a x a x obl y i 1 i 2 i 3 i... 0, (3.9) jest aproksymowaną współrzędną objaśnianą dla zmiennej objaśniającej n i x i, a n jest ostatnim parametrem wielomianu n-tego stopnia, a 0 jest błędem losowym, oraz a 1 stanowią odpowiedniki parametrów b i a regresji liniowej. Implementację metody aproksymacji do programu Mathcad usprawniono do zastosowania dla dowolnego stopnia wielomianu przy zachowaniu nadokreśloności układu równań. Optymalizacji stopnia funkcji dokonano na podstawie oszacowanych statystyk 2 i sumy kwadratów odchyleń od danych źródłowych dla funkcji stopni od 1 do 20. Wartości wymienionych miar oraz RMSEA, tj. błędu średniokwadratowego aproksymacji przedstawiono w załączniku 1.5. Sklejanej interpolacji wielomianem stopnia trzeciego, znanego też jako krzywa kubiczna. Łączenie krzywej spełnia konieczne cechy modelu osi toru na podstawie warunków równości współrzędnych skrajnych punktów przedziałów oraz ciągłości krzywizn łączonych funkcji w tych punktach. Wzorcowe odcinki krzywoliniowe ponownie wybrano z przejazdu 5 i 6, wybierając te, na których zachodził ciągły pomiar fazowy i nie mijano możliwych do zidentyfikowania na ortofotomapie przesłon terenowych. Jako łuk nr 1 oznaczono fragment trasy o długości 65.6 metrów na węźle Carla Groddecka w Gdańsku, łączącym Aleję Armii Krajowej i ulicą 3 Maja. Pomierzone punkty transformowano względem prostej odniesienia wyznaczonej z regresji ważonej, a tak powstały wykres o zredukowanych i obróconych współrzędnych nałożono na ortofotomapę z serwisu Geoportal. Wizualizacje pierwszego i drugiego odcinka potwierdzają brak zadaszenia oraz zadrzewienia, i wysokiej zabudowy w otoczeniu torowiska, które zostały zidentyfikowane jako główne powody przerwania ciągłości śledzenia sygnału

171 Rysunek 85: Lokalizacja odcinka krzywoliniowego nr 1 na węźle Carla Groddecka. Łuk nr 2, mierzący 85.2 metra długości znajduje się na wyjeździe z pętli Łostowice Świętokrzyska. Na obu łukach pomiar zachodził z częstotliwością niecałych 20 Hz i rozdzielczością przestrzenną wynoszącą odpowiednio 6.5 oraz 6.3 punktu na metr trasy. Szczegółową charakterystykę przejazdu na odcinkach prezentują miary w załączniku 1.4. Rysunek 86: Lokalizacja odcinka krzywoliniowego nr 2 na wyjeździe z pętli Łostowice Świętokrzyska w Gdańsku. Porównanie dystrybuant błędu pozycjonowania (2σ) wyznaczeń na obu przejazdach pozwala stwierdzić, że pozycjonowanie na drugim z nich było nieznacznie dokładniejsze. Podczas pokonywania łuku nr 1 nie zanotowano natomiast obserwacji o odchyleniu gorszym niż 2.5 cm, a na łuku nr 2 gorszym niż 1.3 cm

172 % pomiarów po filtrowaniu łuk 2 łuk 1 próg filtrowania [m] Rysunek 87: Dystrybuanta dokładności punktów w próbach odcinków krzywoliniowych. Zmienność dokładności pozycjonowania na odcinku nr 1 okazała się sprzyjająco niewielka. Przy odchyleniu standardowym 2 mm, przybliżenie wahań wielomianem 7 stopnia przyjęło wartości od ok. 9 do ok 13 mm. Zarówno mediana jak i średnia osiągnęły wartość centralną tego przedziału, tj. 11 mm Błąd pozycji (P=0.95) [m] Długość odcinka [m] Rysunek 88: Dokładność wyznaczeń podczas przejazdu łukiem nr 1. Równą wartość 10 mm przyjęły także mediana i średnia błędu pozycjonowania na drugim fragmencie krzywoliniowym. Przybliżenie wielomianem 7 stopnia wyraźnie wskazuje

173 na minimalnie dokładniejszy pomiar między 10 a 30 metrem odcinka, jednak wahania aproksymacji błędu nie przekroczyły 2 mm będących również wartością odchylenia standardowego danych punktowych. Błąd pozycji (P=0.95) [m] Długość odcinka [m] Rysunek 89: Dokładność wyznaczeń podczas przejazdu łukiem nr 2. Po stwierdzeniu wzorowych wyników pomiaru przystąpiono do wpasowania wielomianu ciągłego oraz krzywej kubicznej. Stopnień pierwszej z wymienionych funkcji dający najlepsze wyniki określono wybierając minimalne błędy aproksymacji, przedstawione w załączniku 1.5. Wyznaczone funkcje nałożone na punkty pomiaru wydają się idealnie pokrywać, stąd ocenę jakości aproksymacji i interpolacji oparto na wykresach różnic w pomniejszonych skalach. Rysunek 90: Wpasowanie funkcji w pomierzone łuki w zredukowanych współrzędnych

174 Odchylenia współrzędnych pomierzonych od aproksymacji wielomianem ciągłym 12 stopnia dla łuku nr 1 i wielomianem stopnia 10 dla łuku nr 2, które na wykresach reprezentuje wąska niebieska linia, z uwagi na wysoką zmienność przybliżono funkcją 36 stopnia, oznaczoną grubszą błękitną linią. Zróżnicowanie wartości łącznej odchylenia od wpasowania i dokładności pomiaru (P=0.95) z tego samego względu aproksymowano wielomianem 43 stopnia. Odchylenie od aproksymacji wielomianem 12 stopnia [m] Długość odcinka [m] Rysunek 91: Odchylenia wpasowanego wielomianu 12 stopnia od pomiaru łuku nr 1 Przyjmując dodatnie wartości odchyleń dla strony lewej względem kierunku ruchu platformy pomiarowej i ujemne dla prawej różnice między wpasowanym wielomianem, a danymi pomiarowymi na odcinku pierwszym zawierają się punktowo w przedziale od -2.5 do 3.0 cm, a w przybliżeniu od -1.1 cm do 1.0 cm. Wielkości te powiększone o błąd pomiarowy wahają się od -2.6 cm do 2.5 cm, przy czym maksima wartości punktowych mogą być pogorszone o ok. 1.1 cm. Tym samym, z 95% pewnością zagwarantować można, że różnica między współrzędnymi rzeczywistej pozycji osi toru i aproksymowanej wielomianem 12 stopnia nie przekroczy w żadnym punkcie odcinka cm na lewo oraz 4.0 cm na prawo od kierunku poruszania się platformy. Jeszcze mniejszą zmienność przybliżenia odchyleń uzyskano na odcinku nr 2. Choć wartości punktowe różnic współrzędnych pomiarowych i przybliżonych funkcją wahają się w granicach od -2.0 do 2.2 cm, to skrajne wartości ich aproksymacji wyniosły zaledwie od -0.6 do 0.7 cm. Aproksymacja łączna odchylenia wpasowanego wielomianu i błędu pomiarowego

175 przyjmuje wartości od -0.8 do 1.0 cm. Skrajne wartości punktowe niniejszej sumy powiększone zostają o średnio 1.0 cm, stąd z prawdopodobieństwem 95% można stwierdzić, że odchylenie rzeczywistej osi toru od wyznaczonego wielomianu 10 stopnia nie przekracza od -3.0 cm do 3.2 cm. Odchylenie od aproksymacji wielomianem 10 stopnia [m] Długość odcinka [m] Rysunek 92: Odchylenia wpasowanego wielomianu 10 stopnia od pomiaru łuku nr 2 Oceny lokalnych wartości błędu wpasowania krzywej kubicznej dokonano za pomocą metod opisanych wcześniej w dziale 3.2.3, tj. obliczenia odległości punktów o współrzędnych będących średnią 2 kolejnych punktów danych, a współrzędnymi z interpolacji dla średniej zmiennej objaśniającej oraz porównania współrzędnych punktów nie węzłowych dla interpolacji o węzłach w co 2 punkcie danych. Na podstawie wyznaczonych miar odchyleń zawartych w tabeli 37 stwierdzić można, że druga z metod, zastosowana wyłącznie poglądowo, zwraca wyniki ok. czterokrotnie zawyżone. Tabela 37: Miary odchyleń wpasowania krzywej kubicznej [mm]. metoda współrzędnych średnich węzłów w co 2 punkcie miara / łuk: minimum maksimum średnia bezwzględna odchylenie standardowe

176 Szacowany błąd interpolacji krzywą kubiczną [m] Długość odcinka [m] Rysunek 93: Odchylenia krzywej kubicznej od pomiaru łuku nr 1 Obraz uzyskany z wykresów odchylenia względem długości odcinków oraz miary z tabeli 37 pozwalają stwierdzić, że prosta została minimalnie lepiej wpasowana na łuku nr 1. Nadmienić należy, że jedynie pierwsza metoda wyznaczenia odchylenia korzysta z pełnego zbioru danych, stąd wyniki jej wykorzystania przyjęto jako obowiązujące. Tym samym stwierdzić można, że odchylenie wielomianu sklejanego w żadnym punkcie na obu łukach nie przekroczyło 8 mm, a średnio nie przekroczyło 1 mm. Szacowany błąd interpolacji krzywą kubiczną [m] Długość odcinka [m] Rysunek 94: Odchylenia krzywej kubicznej od pomiaru łuku nr

177 Odchylenie od krzywej kubicznej (P=0.95) [m] Długość odcinka [m] Rysunek 95: Możliwe łączne odchylenie krzywej kubicznej od rzeczywistej osi toru łuku nr 1. Maksymalne możliwe odchylenie krzywej kubicznej od sytuacji rzeczywistej oszacowano z sumy błędu pomiarowego (2σ) i wyników obliczeń oznaczonych jako metoda współrzędnych średnich. Rezultaty wraz ze średnimi elementów dodatnich i ujemnych przedstawiono na wykresach. Wartości skrajne, dla których z 95% pewnością zagwarantować można równe lub mniejsze odchylenie interpolacji w dowolnym punkcie wyniosły od -19 do 23 mm dla łuku nr 1 oraz od -16 do 18 mm dla łuku nr 2. Odchylenie od krzywej kubicznej (P=0.95) [m] Długość odcinka [m] Rysunek 96: Możliwe łączne odchylenie krzywej kubicznej od rzeczywistej osi toru łuku nr

178 Zaprezentowane w rozdziale szczegółowe oszacowanie dokładności wpasowania obiektów liniowych zostało wykonane z rozróżnieniem odchyleń dodatnich (lewych) oraz ujemnych (prawych), uzyskując tym samym dwukrotnie więcej miar wartości średnich i skrajnych. Pominięto uproszczoną ocenę porównawczą, możliwą jest z wykorzystaniem wartości bezwzględnych, w tym błędu średniokwadratowego wpasowania. Na podstawie przedstawionych rezultatów wnioskować można, że wysokorozdzielczy fazowy pomiar satelitarny odcinków krzywoliniowych wykorzystany być może w aplikacjach inżynierskich wymagających około-centymetrowej dokładności przy interpolacji krzywą kubiczną. Alternatywnie, aproksymując łuk pojedynczym wielomianem możliwe jest osiągnięcie dokładności nieprzekraczających 4.0 cm Zastosowania nawigacyjne Obiekty liniowe modelowane w części oraz są w ogólności wyznaczeniem trasy przemieszczania się pojazdu szynowego, w tym przypadku platformy pomiarowej. Szczegółowo oszacowana dokładność określenia ich pozycji jest zarazem równa precyzji techniki ciągłych pomiarów satelitarnych dla aplikacji nawigacyjnych. Zaobserwowany poziom błędu spełnia najbardziej restrykcyjne wymagania nawigacyjne wymienione w rozdziale 2, nie przekraczając 2 cm na poprawnie wydzielonych odcinkach prostych i łukowych. Gęstość prawdopodobieństwa Błąd pozycji [m] Rysunek 97: Rozkład gęstości prawdopodobieństwa błędu pozycji obserwacji na prostej nr

179 Na podstawie gęstości prawdopodobieństwa błędu pozycjonowania zauważyć można, że przyjmuje rozkład daleki od normalnego, tj. silnie leptokurtyczny (wysmukły) i skrajnie prawoskośny (właściwie - lewostronnie odcięty). Nasuwającym się wnioskiem jest, iż dokładność pomiaru fazowego, wahająca się głównie od 0.6 do 1.2 cm, osiąga gorsze wartości jedynie na skutek czynników otoczenia przede wszystkim przesłon terenowych. Odchylenie wpasowywanych funkcji w opracowaniu zostało zsumowane z tymi wartościami w celu określenia gwarantowanego przedziału maksymalnej różnicy od stanu rzeczywistego. W praktyce natomiast uśrednia rozproszenie punktów, dzięki czemu trasa pojazdu wyznaczana jest na poziomie subcentymentrowym. Spełnienie najsurowszych nawigacyjnych wymagań dokładnościowych skłania do skupienia się na problemie dostępności i ciągłości pomiaru, kluczowym dla technik satelitarnych m.in. w przestrzeni zurbanizowanej i przemysłowej. Podstawową trudnością w określeniu nieciągłości, czyli w rozumieniu planów radionawigacyjnych przytoczonych w rozdziale 2 prawdopodobieństwa przerwania pomiaru, było zidentyfikowanie samych przerwań. Jako najbliższy jej miernik wyznaczono dostępność pomiaru ciągłego, będącą stosunkiem czasu dokonywania pomiaru do czasu całej sesji pomiarowej. Statystykę tą dla wyznaczeń danej dokładności z każdego z przejazdów przedstawiono w załączniku 1.6, natomiast jako potwierdzenie zupełnej ciągłości pomiaru na odcinkach testowych załączono tabelę 1.7. Miarę oszacowano na podstawie następującej formuły: gdzie: t maks tmaks tmin tnull Availability, (3.10) t t maks jest czasem pomiaru ostatniej obserwacji w sekundach, min t min jest czasem pomiaru pierwszej obserwacji w sekundach, t null jest liczbą sekund między t maks a t min dla których nie dokonano żadnej obserwacji. Zauważyć można, że powyższa funkcja nie będzie działać poprawnie dla sesji realizowanych z częstotliwością mniejszą niż 1 Hz. Ponadto, pomijane są utraty ciągłości na początku i końcu przedziału występujące przy określaniu dostępności obserwacji danej dokładności. Z tego względu dokonano korekcji powyższego wskaźnika w formie:

180 gdzie: Availabilitycorrect N jest liczbą obserwacji całego pomiaru, Nf Nf N Nf Availability (3.11) N N jest liczbą obserwacji o danej dokładności, dla której została obliczona dostępność. Korzystając z powyższej poprawki, obliczono dla każdego przejazdu dostępności obserwacji spełniających wymagania nawigacji ogólnej oraz precyzyjnej, o dokładnościach odpowiednio 100 i 5 cm. Pominięto dane pomiaru drugiego, podczas którego miała miejsce próba statycznej inicjalizacji odbiornika. przejazd 1 przejazd 3 przejazd 4 przejazd 5 przejazd 6 wysokorozdzielcze: 4 do 6 ogółem 0.0% 10.0% 20.0% 30.0% 40.0% 50.0% 60.0% 70.0% 80.0% 90.0% 100.0% nawigacja precyzyjna nawigacja ogólna całość pomiaru Rysunek 98: Dostępności pomiaru ciągłego ogółem i dla dokładności nawigacyjnych. Wykres 98 pozwala zauważyć wystąpienie przerwania pozycjonowania na objeździe pętli nr 3 oraz znaczną różnicę dostępności między przejazdami 4 i 5, mającymi miejsce głównie na otwartych przestrzeniach na gdańskim Chełmie, oraz pozostałymi 1 i 6, które przebiegały w większej części przez zabudowane i zadrzewione obszary Śródmieścia i Wrzeszcza. Ostatnim kluczowym, możliwym do oszacowania kryterium porównawczym pozostała rozdzielczość przestrzenna dla zastosowań nawigacyjnych. Obserwacje dokonywane były podczas przejazdów przy znacznie zmniejszonej prędkości. Z tego względu rozdzielczości

181 przestrzenne oszacowano na podstawie iloczynu średniego okresu pozycjonowania i średniej prędkości ruchu drogowego w Gdańsku, wynoszącego na podstawie danych z 2013 roku 41 km. h By zachować większą czytelność zaprezentowano odwrotność rozdzielczości, czyli średni dystans między kolejnymi pozycjonowanymi punktami trasy. przejazd 1 przejazd nawigacja precyzyjna nawigacja ogólna całość pomiaru Rysunek 99: Odległość między kolejnymi obserwacjami przy prędkości średniej ruchu drogowego w Gdańsku na przejazdach 1 i 3 [m]. Jak widać powyżej, konfiguracja odbiornika podczas przejazdu 1 i 3 nie spełnia wymagań nawigacji precyzyjnej. Wysoki odstęp, nawet między dokładnymi obserwacjami, przy zmianie kierunku ruchu z zachowaniem wysokiej prędkości mógłby spowodować warunki kolizyjne. przejazd 4 przejazd 5 przejazd 6 wysokorozdzielcze: 4 do 6 ogółem nawigacja precyzyjna nawigacja ogólna całość pomiaru Rysunek 100: Odległość między kolejnymi obserwacjami przy prędkości średniej ruchu drogowego w Gdańsku ogółem oraz na przejazdach wysokorozdzielczych [m]

182 Podczas przejazdów 4-6 odbiornik ustawiony został na częstość pozycjonowania zbliżoną do 20 Hz. Na podstawie wykresu nr 100 stwierdzić można, że umożliwiłaby ona aktualizację danych pozycji, prędkości i kierunku jazdy w warunkach miejskich co ok. 0.6 m. Biorąc pod uwagę możliwość uzyskania centrymetrowego błędu pozycji i zastosowania bieżącej ekstrapolacji trasy pojazdu, oszacowany odstęp jest wystarczający nawet do aplikacji precyzyjnej nawigacji lądowej m.in. ostrzegania użytkownika o przekroczeniu granic pasa ruchu, czy też zejścia z wcześniej wyznaczonej trasy. Zmiana ustawień odbiornika ruchomego, konstrukcji platformy pomiarowej oraz metody opracowania danych z sesji techniką ciągłego pomiaru satelitarnego doprowadziła w czasie aktywności zespołu badawczego do przewartościowania kryteriów oceny zdatności wyników do zastosowań inżynierskich i nawigacyjnych. Zmiany te przedstawiono na skali czasu: Rysunek 101: Przejazdy eksperymentalne zespołu pomiarowego i ewaluacja kryteriów przydatności rezultatów w czasie