ANALIZA PORÓWNAWCZA FORMATÓW DANYCH SATELITARNYCH (ALMANAC) W SYSTEMIE GPS

Transkrypt

1 Cezary Specht Akademia Morska w Gdyni Marcin Skóra Akademia Marynarki Wojennej w Gdyni Mateusz Mania, Mariusz Specht Politechnika Gdańska ANALIZA PORÓWNAWCZA FORMATÓW DANYCH SATELITARNYCH (ALMANAC) W SYSTEMIE GPS Uruchomienie odbiornika nawigacji satelitarnej GPS wymaga uzyskania synchronizacji z sygnałami satelitów znajdujących się ponad jego minimalną wysokością topocentryczną. Czas do uzyskania pierwszej pozycji przez odbiornik nawigacyjny zależny jest od możliwości określenia zbioru satelitów, których sygnały będą dostępne dla współrzędnych pozycji urządzenia, w określonym momencie czasu. Z tego względu aktualność zbioru danych satelitarnych (almanac) ma istotny wpływ na proces określania pozycji przez urządzenia GNSS. W artykule przedstawiono, omówiono i porównano formaty danych plików almanac GPS zapisane w publicznie dostępnych standardach SEM i YUMA. Opisano również system dystrybucji danych orbitalnych funkcjonujący w GPS. Słowa kluczowe: GPS, almanac, SEM, YUMA. WSTĘP Satelitarne systemy nawigacyjne wykorzystywane są powszechnie we współczesnej profesjonalnej nawigacji morskiej [1, 17, 18] oraz lotniczej [13], będąc podstawowym źródłem pozycjonowania dla rozwijającej się, względem klasycznej nawigacji [2], koncepcji e-navigation [19, 20]. Są one również elementem innych złożonych systemów zapewniających bezpieczeństwo, do których należy System Automatycznej Identyfikacji (AIS ang. Automatic Identification System) [3, 4]. Również w geodezji stosowanie technik satelitarnych wykorzystujących aktywne sieci GNSS jest dziś powszechne [14], głównie ze względu na rozległą aplikacyjność, obejmującą w szczególności geodezję inżynieryjną [5, 6, 7] oraz Systemy Informacji Geograficznej (GIS ang. Geographic Information System) [13]. Równocześnie niezmiernie szybko rozwija się rynek odbiorników personalnych funkcjonujących w obszarze nawigacji lądowej, obejmując aplikacje transportowe, rekreacyjne [16] czy sportowe [15]. W tej sferze zasadniczym problemem eksploatacyjnym jest zdolność odbiornika ograniczonego znaczną liczbą przesłon terenowych do szybkiej akwizycji sygnałów. Jest ona realizowana przede

2 C. Specht, M. Skóra, M. Mania, M. Specht, Analiza porównawcza formatów danych satelitarnych (Almanac) wszystkim poprzez nowoczesne rozwiązania elektroniczne modułów odbiorników, wykorzystujące m.in. protokół binarny SIRF (ang. SIRF Binary Protocol), zapewniający blisko 100% dostępność nawet w tak trudnym obszarze [12]. Zasadniczym czynnikiem decydującym o szybkim uzyskaniu przez odbiorniki systemów GNSS (ang. Global Navigation Satellite Systems) synchronizacji z sygnałami satelitarnymi jest ich zdolność do rozpoczęcia śledzenia ich przez tory odbiorcze. Jest ona możliwa pod warunkiem posiadania w pamięci urządzenia pliku, określanego mianem almanac, stanowiącego podzbiór danych systemu GPS, opisujących stan zegara systemowego i danych efemerydalnych satelitów prezentowanych z ograniczonym poziomem precyzji. Należy w tym miejscu podkreślić, iż dane zawarte w plikach almanac nie mają za zadanie wyznaczać położenia satelitów GPS na moment pomiaru pseudoodległości. Do tego celu przeznaczone są dane efemerydalne, których precyzja (liczba wartości po przecinku) jest znacząco większa. Dane almanac są niezbędne do przybliżonego wyznaczenia położenia satelity na orbicie, określając, czy możliwy jest odbiór jego sygnałów dla lokalizacji odbiornika. Główna Stacja Kontrolna systemu GPS (ang. Master Control Station), realizując proces kompleksowej kontroli i sterowania pracą systemu, wyznacza wszystkie dane niezbędne do wykorzystania przez użytkowników obu serwisów: ogólnego dostępu (SPS ang. Standard Positioning Service) i precyzyjnego (PPS ang. Precise Positioning Service). Na bieżąco wyznaczane są dane almanac w dwóch formatach SEM i YUMA, status systemu dotyczący Przeciwdziałania Zakłóceniom Celowym (A-S Status ang. Anti-Spoofing Status), Informacje Nawigacyjne dla Użytkowników (NANU ang. Notice Advisory to Navstar Users), informujące o aktualnym stanie pracy poszczególnych podsystemów GPS oraz pliki zawierające informacje o statusie segmentu kosmicznego (OA ang. Operational Advisory). System GPS został stworzony przez Departament Obrony USA (ang. United States Department of Defense) do celów militarnych, w związku z czym transfer informacji do użytkowników cywilnych realizowany jest odmiennym kanałem poprzez Centrum Nawigacyjne Straży Granicznej USA (USCG NAVCEN ang. U.S. Coast Guard Navigation Center). Poniższy schemat prezentuje system dystrybucji danych z segmentu kontrolnego do Centrum Nawigacyjnego Straży Granicznej USA.

3 156 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 87, grudzień 2014 Rys. 1. Schemat dystrybucji danych z segmentu kontrolnego do Centrum Nawigacyjnego Straży Granicznej USA [8] Fig. 1. to USCG NAVCEN interface [8] Na kolejnym rysunku przedstawiono system dystrybucji danych z segmentu kontrolnego do użytkowników. AMCS Alternatywna Główna Stacja Kontrolna DHS USCG Departament Bezpieczeństwa Krajowego Straży Granicznej Stanów Zjednoczonych DOT FAA Departament Transportu Federalnej Administracji Lotnictwa NIPRNET Sieć Przesyłowa Niezabezpieczonych Protokołów Internetowych SAFB Baza Sił Powietrznych USA Schriever Sieć Przesyłowa Tajnych Protokołów Internetowych MCS Główna Stacja Kontrolna VAFB Baza Sił Powietrznych USA Vandenberg Rys. 2. Schemat dystrybucji danych z segmentu kontrolnego do użytkowników [9] Fig. 2. to the GPS user community interface [9]

4 C. Specht, M. Skóra, M. Mania, M. Specht, Analiza porównawcza formatów danych satelitarnych (Almanac) GENEROWANIE INFORMACJI ALMANAC GPS Podlegająca Departamentowi Bezpieczeństwa Krajowego Straż Graniczna Stanów Zjednoczonych (DHS USCG ang. Department of Homeland Security U.S. Coast Guard) publikuje na stronie internetowej ( pliki zawierające informacje o statusie segmentu kosmicznego systemu GPS (OA) z rozszerzeniem *.oa1 (konstelacja, konserwacja wybranych satelitów, ich awarie, itp.), pliki almanac w formacie YUMA (rozszerzenie *.alm) i SEM (rozszerzenie *.al3) oraz wiadomości dla użytkowników systemu (NANU) w plikach z rozszerzeniem *.nnu. Wszystkie typy wiadomości są archiwizowane i możliwe do odczytania w dowolnym edytorze tekstu (pliki *.txt). Struktura wszystkich formatów jest ściśle ustalona i nie zostanie zmieniona, choć po wprowadzaniu Operacyjnego Systemu Kontroli Następnej Generacji (OCX ang. Next Generation Operational Control System) należy się spodziewać nowych formatów danych. Zestawienie przesyłanych danych przez stację kontrolną zaprezentowano w tabelach 1 i 2. Producent Tabela 1. Tablica wymiany informacji przed wprowadzeniem GPS OCX [8] Table 1. Information exchange matrix before the GPS OCX era [8] Odbiorca Oprogramowanie stacji kontrolnej Przekazywane informacje Parametry konstelacji Opis informacji USCG NAVCEN Status systemu NANU USCG NAVCEN USCG NAVCEN Podsumowanie stanu konstelacji Parametry konstelacji Status systemu Podsumowanie stanu konstelacji Parametry konstelacji Sposób przekazywania danych Bezpieczeństwo Almanac Dyskietka OA Almanac NANU OA Almanac Poczta elektroniczna

5 158 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 87, grudzień 2014 Producent Tabela 2. Tablica wymiany informacji po wprowadzeniu GPS OCX [9] Table 2. Information exchange matrix after the GPS OCX era [9] Odbiorca DHS USCG / DOT FAA / inni użytkownicy cywilni* DHS USCG / DOT FAA / inni użytkownicy cywilni DHS USCG / DOT FAA / inni użytkownicy cywilni DHS USCG / DOT FAA / inni użytkownicy cywilni Przekazywane informacje Status systemu Podsumowanie stanu konstelacji Status A-S Parametry konstelacji i stan pracy satelitów Status systemu Podsumowanie stanu konstelacji Status A-S Parametry konstelacji i stan pracy satelitów Opis informacji NANU OA Status A-S Almanac NANU OA Status A-S Almanac Sposób przekazywania danych Poczta elektroniczna i strona Bezpieczeństwo * Dane NANU są również automatycznie wysyłane do wybranych użytkowników 2. Dywizjonu Operacji Kosmicznych (2 SOPS ang. 2d Space Operations Squadron) przez pocztę elektroniczną Dane zawarte w plikach almanac mogą być z powodzeniem wykorzystywane przez okres około 60 dni [10], jednak nie można przewidzieć nagłej awarii konkretnego satelity, stąd standardy SEM i YUMA muszą zawierać informacje dotyczące aktualnego stanu pracy wszystkich satelitów. Dopuszcza się trzy stany pracy: aktywny, niewłaściwy oraz nieaktywny (ang. active, bad, dead), które definiowane są przez Główną Stację Kontrolną systemu. W przyszłości przewiduje się możliwość zdefiniowania dodatkowych stanów, które określono terminem inny (ang. other). W dokumentach [8, 9] przedstawiono interpretację sześciobitowego słowa określającego stan pracy satelity, stosowanego w depeszy nawigacyjnej GPS, oraz jego dziesiętną reprezentację wykorzystywaną w plikach almanac SEM oraz YUMA.

6 C. Specht, M. Skóra, M. Mania, M. Specht, Analiza porównawcza formatów danych satelitarnych (Almanac) FORMAT SEM SEM jest to format plików almanac. W jego wstępie znajduje się nagłówek identyfikujący liczbę rekordów (satelitów), dla których przedstawiono dane oraz nazwa pliku (CURRENT.AL3). Należy zauważyć, że przygotowano również drugą wersję pliku w tym standardzie z rozszerzeniem *.bl3, która różni się jedynie możliwą maksymalną liczbą satelitów, do których się odnosi (*.al3, *.bl3). Na rysunku 3 zaprezentowano przykładowy format pliku almanac typu SEM. Rys. 3. Przykładowy plik almanac formatu SEM (oznaczenia w czerwonych prostokątach nie są częścią formatu SEM, lecz zostały umieszczone w celu identyfikacji danych i ich opisu w tab. 3) [8, 9] Fig. 3. SEM Data Sample for Current.al3 (the bold letters and numbers in the rectangles are not part of the SEM format; they are used for identification purposes in Table 3) [8, 9] Opis danych, zakresy, dokładność oraz ich precyzję zaprezentowano w tabeli 3. Tabela 3. Opis formatu SEM plików almanac [8, 9] Table 3. SEM almanac file description [8, 9] Linia Parametr Opis Jednostki Zakres Dokładność Precyzja 1 2 Liczba rekordów Nazwa pliku Numer tygodnia GPS Czas GPS Liczba satelitów do której odniesiono dane Opisowa nazwa pliku almanac Numer tygodnia GPS do którego odniesione są dane almanac Liczba sekund od początku tygodnia GPS, do której odniesiono dane almanac (t oa ) Rekord Od 0 do 32 1 Nie dotyczy Dowolna kombinacja znaków ASCII Tygodnie Od 0 do Sekunda Od 0 do Pusta linia dla rozdzielenia danych Nie dotyczy 1 2 cyfry 24 znaki 4 cyfry 6 cyfr

7 160 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 87, grudzień 2014 cd. tabeli 3 Linia Parametr Opis Jednostki Zakres Dokładność Precyzja R-1 R-2 R-3 R-4 b c R-5 d e R-6 f g Numer PRN satelity Numer SVN satelity Numer średniej wartości URA Mimośród orbity Offset inklinacji orbity Zmiana rektascensji w funkcji czasu Pierwiastek kwadratowy dużej półosi elipsy Długość węzła wstępującego orbity Argument perygeum Anomalia średnia Korekta zegara zerowego rzędu Korekta zegara pierwszego rzędu R-7 Stan satelity R-8 Konfiguracja satelity Numer identyfikacyjny satelity GPS Numer referencyjny, unikatowy dla każdego satelity GPS Numer odnoszący się do średniej wartości URA transmitowanej przez satelitę Miara określająca kształt orbity (e) Offset inklinacji orbity (δ i ) niezawierający wartości referencyjnej (i 0 ) 0,30 półokręgu Tempo zmian w pomiarze kąta rektascensji (Ω-DOT) Pomiar wykonywany z centrum orbity do punktu apogeum lub perygeum (A 1/2 ) Długość węzła wstępującego orbity na określoną epokę (Ω 0 ) Kąt od równika do perygeum (ω) Kąt opisujący pozycję satelity na orbicie względem perygeum (M 0 ) Określenie korekty zegara zerowego rzędu dla pliku almanac (a f0 ) Określenie korekty zegara pierwszego rzędu dla pliku almanac (a f1 ) Sześciobitowy kod opisujący stan satelity Czterobitowy kod opisujący konfigurację satelity Brak Od 1 do 32 Brak Brak Od 0 do 255 Brak Brak Od 0 do 15 1 Bezwym. Półokrąg Półokrąg/ sekundę 2 cyfry 3 cyfry 2 cyfry Od 0 7 cyfr -2 4, do 3, Od -6, cyfr -2 1, do +6,25 10 Od -1, cyfr -7 3, do +1, Metry 1/2-4 9 cyfr Od 0 do , cyfr Półokrąg Od -1,0 do +1,0 1, cyfr Półokrąg Od -1,0 do +1,0 1, cyfr Półokrąg Od -1,0 do +1,0 1,19 10 Sekunda Sekunda/ sekundę Od -9, cyfr do +9, ,54 10 Od -3, cyfr -9 3, do +3, Brak Od 0 do 63 Brak Brak Od 0 do 15 Brak R-9 Pusta linia dla rozdzielenia danych 2 cyfry 2 cyfry

8 C. Specht, M. Skóra, M. Mania, M. Specht, Analiza porównawcza formatów danych satelitarnych (Almanac) FORMAT YUMA Format YUMA jest bardziej czytelny od formatu SEM. Każda linia zawiera opis przedstawionej informacji w języku angielskim. Obecnie pliki zawierające parametry ruchu satelitów w tym formacie posiadają rozszerzenie *.alm. Nowe rozszerzenie *.blm będzie, podobnie jak w formacie SEM, różnić się jedynie maksymalną liczbą satelitów, do których będzie mogło się odnosić. Parametry używane w formacie YUMA nie są takie same jak w formacie SEM. Wartości kątowe są podawane w radianach, natomiast inklinacja bezpośrednio, a nie za pomocą offsetu. Nazwa tego formatu pochodzi od jednego z największych na świecie poligonów wojskowych znajdującego się w Arizonie (ang. Yuma Proving Ground), gdzie w marcu 1977 roku testowano naziemne nadajniki systemu GPS w fazie walidacji [11]. Przykład pliku almanac w standardzie YUMA zaprezentowano na rysunku 4. Rys. 4. Przykładowe dane almanac w formacie YUMA [8, 9] Fig. 4. YUMA almanac data sample format [8, 9] PODSUMOWANIE Prognozowanie pozycji satelitów, planowanie pomiarów i ściśle związana z tym procesem minimalizacja współczynników geometrycznych DOP (ang. Dilution Of Precision) wymuszają określenie pozycji satelitów w danym momencie czasowym. Przybliżone współrzędne satelitarne zawarte w plikach almanac nie są tak dokładne jak efemerydy, lecz pozwalają na określenie pozycji satelitów z wystarczającą dokładnością. Dostępne publicznie poprzez strony internetowe pliki almanac dla satelitów GPS są publikowane w dwóch formatach: SEM (*.al3) i YUMA (*.alm), a w przyszłości dodatkowo z rozszerzeniami *.bl3 i *.blm.

9 162 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 87, grudzień 2014 Parametry ruchu satelity dostępne w formatach SEM i YUMA różnią się od siebie sposobem zapisu i interpretacją właściwych wartości. Przypisanie znaczenia wartościom liczbowym w formacie SEM nie jest tak jednoznaczne jak dla formatu YUMA, co powoduje, że format SEM wymaga specjalistycznego oprogramowania, umożliwiającego szybkie dekodowanie danych. Wartości w formacie SEM zapisywane są z dokładnością kilkunastu miejsc po przecinku, co może mieć wpływ na predykcję położenia satelity systemu GPS w porównaniu do formatu YUMA. LITERATURA 1. Czaplewski K., Podstawy nawigacji morskiej i śródlądowej, Wydawnictwo Bernardinum, Pelplin Czaplewski K., Positioning with Interactive Navigational Structure Implementation, Annual of Navigation, Gdynia 2004, No Gackowska A., Śniegocki H., System AIS w rejonie Zatoki Pomorskiej, materiały XIV Sympozjum Podstawowe problemy energoelektroniki, elektromechaniki i mechatroniki, PPEEm 2011, Wisła Jaskólski K., Availability of AIS Binary Data Transmission Based on Dynamic measurements Performed on the Southern Baltic and the Danish Straits, Annual of Navigation, Gdynia 2013, No. 20, s Koc W., Specht C., Application of the Polish Active GNSS Geodetic Network for Surveying and Design of the Railroad, Proceedings of the First International Conference on Road and Rail Infrastructure CETRA 2010, Opatija 2010, s Koc W., Specht C., Wyniki pomiarów satelitarnych toru kolejowego, TTS Technika Transportu Szynowego, Łódź 2009, nr 7 8, s Koc W., Specht, C., Nowak A., Szulwic J., Szmagliński J. i inni, Dostępność fazowych rozwiązań GPS/GLONASS podczas geodezyjnej inwentaryzacji dróg szynowych na przykładzie linii tramwajowej Gdańska, TTS Technika Transportu Szynowego, Łódź 2012, nr 9, s Interface Control Document Navstar GPS Space Segment / Navigation User Interfaces (ICD- GPS-240), Revision A, Interface Control Document Navstar GPS Space Segment / Navigation User Interfaces (ICD- GPS-870), Revision A, Interface Specification Navstar GPS Space Segment / Navigation User Interfaces (IS-GPS-200), Revision H, Navstar GPS User Equipment Introduction, United States of America Department of Defense, Oszczak B., Serżysko K., Tanajewski D., Analiza Protokołu SIRF Binary, Logistyka, Poznań 2011, nr 6, s Oszczak B., Tanajewski D., The use of geographical information system at local airport management, Proceedings of the International Conference Environmental Engineering, Vilnius Skóra M., Specht C., Analiza porównawcza wybranych aktywnych sieci geodezyjnych, Zeszyty Naukowe AMW, Gdynia 2009, nr 50, s

10 C. Specht, M. Skóra, M. Mania, M. Specht, Analiza porównawcza formatów danych satelitarnych (Almanac) Specht M., Szot T., Accuracy Analysis of GPS Sport Receivers in Dynamic Measurements, Annual of Navigation, Gdynia 2012, No. 19(1), s Specht C., Szot T., Specht M., Badanie dokładności personalnych odbiorników GPS w pomiarach dynamicznych, TTS Technika Transportu Szynowego, Łódź 2013, nr 10, s Śniegocki H., Bezpieczeństwo tankowców LNG podczas podejścia do portu ze szczególnym uwzględnieniem zmian istniejącego oznakowania nawigacyjnego na przykładzie Portu Zewnętrznego i Terminala Gazowego LNG w Świnoujściu, materiały XV Sympozjum Podstawowe problemy energoelektroniki, elektromechaniki i mechatroniki, PPEEm 2012, Gliwice Śniegocki H., Wymogi organizacji międzynarodowych odnośnie do szerokości toru podejściowego dla największych gazowców LNG, Logistyka, Poznań 2011, nr 6, s Weintrit A., Elektroniczna mapa nawigacyjna: wprowadzenie do nawigacyjnych systemów informacyjnych ECDIS, Wydawnictwo Uczelniane WSM w Gdyni, Gdynia Weintrit A., Telematic Approach to e-navigation Architecture, Communications in Computer and Information Science, Vol. 104, Katowice Ustroń 2010, s COMPARATIVE ANALYSIS OF SATELLITE DATA FORMATS (ALMANAC) IN GPS SYSTEM Summary Starting a GPS receiver requires the synchronization of the signals of satellites above the minimum topocentric height. Time to first position by the navigation receiver depends on the possibility of identifying a set of satellites, whose signals will be available on the coordinate position of the device at a specific point in time and it depends on the news set of satellite data (almanac) taken during the previous run. The paper presents, discusses and compares data formats GPS almanac files stored on a publicly available standards and YUMA SEM. Also describes the orbital data distribution system operating in the GPS. Keywords: GPS, almanac, SEM, YUMA.