ZASTOSOWANIE AKTYWNEJ SIECI GEODEZYJNEJ ASG- EUPOS W NAWIGACJI

Transkrypt

1 ZASTOSOWANIE AKTYWNEJ SIECI GEODEZYJNEJ ASG- EUPOS W NAWIGACJI Cezary SPECHT Akademia Maryarki Wojeej w Gdyi, Gdyia, ul. iż. J. Śmidowicza 69, c.specht@geodezja.pl Streszczeie. Systemy awigacji satelitarej staowią podstawowe źródło uzyskiwaia iformacji pozycyjej we współczesej awigacji i trasporcie. Ich wszechstroość aplikacyja wyika z możliwości zapewieia wysokich charakterystyk eksploatacyjych takich jak: dokładość, dostępość (gotowość), iezawodość, ciągłość czy wiarygodość. Od kilku lat obserwujemy tworzeie arodowych sieci geodezyjych przezaczoych rówież dla zabezpieczeia pozycyjego procesów awigacji. W artykule dokoao wstępej ocey możliwości wykorzystaia polskiej aktywej sieci geodezyjej ASG-EUPOS w procesie awigacji obiektów, zapropoowao metodę ocey dostępości serwisów oraz wskazao ograiczeia wykorzystaia sieci. Słowa kluczowe: geodezja i kartografia, GPS, ASG-EUPOS, awigacja 1. Polska Aktywa Sieć Geodezyja - ASG-EUPOS Pierwsza kocepcja utworzeia sieci permaetych stacji GNSS w Polsce została opracowaa w 1995 roku [1] z iicjatywy Komisji Geodezji Satelitarej Komitetu Badań Kosmiczych i Satelitarych PAN oraz Sekcji Sieci Geodezyjych Komitetu Geodezji PAN. Po przeaalizowaiu różych aspektów sieci stacji permaetych przyjęto założeie, że powia oa być siecią wielofukcyją, dostosowaą ie tylko do potrzeb geodezyjych. W wyiku działań różych ośrodków powstawały kolejo po sobie lokale rozwiązaia. W pierwszym etapie uruchomioo stacje a obszarze wybraych aglomeracji (Warszawa, Łódź, Gdańsk) oraz a obszarach itesywej działalości wydobywczej (Góry Śląsk, Lubińsko-Głogowski Okręg Miedziowy). W dalszej kolejości utworzoo sześciopuktową sieć a obszarze Śląska [2]. Powstała rówie trzypuktowa sieć a obszarze Trójmiasta [4].

2 Domiującym tredem światowym początku XXI wieku stało się uruchamiaie, przez orgay do spraw geodezji poszczególych państw, aktywych sieci arodowych z przezaczeiem oferowaia dla użytkowików odpłatych lub ieodpłatych usług (serwisów), w tym rówież czasu rzeczywistego [7]. Dołączając do tej grupy polski Główy Urząd Geodezji i Kartografii podjął się poważego wyzwaia realizacji Aktywej Sieci Geodezyjej ASG-EUPOS, będącej arodową siecią permaetych stacji GNSS oferującą serwisy dla geodezji i awigacji [3]. Przeprowadzoą a obszarze całego kraju iwestycję zrealizowao do kwietia 2008, a zakończyły ją pomyślie testy serwisów i ifrastruktury teleiformatyczej [9]. Polska Aktywa Sieć Geodezyja - ASG-EUPOS składa się z 98 stacji referecyjych (84 stacji GPS oraz 14 stacji GPS/GLONASS) rówomierie rozmieszczoych a obszarze kraju (rys. 1). Oprócz uruchomioych owych stacji, do systemu zostały włączoe stacje istiejące, zarządzae przez uczelie wyższe, jedostki aukowo-badawcze, admiistrację państwową oraz firmy prywate. Dodatkowo system współpracuje z blisko 30 stacjami zagraiczymi. Rys. 1. Rozmieszczeie stacji referecyjych ASG-EUPOS. Architektury systemu dopełiają Krajowe Cetra Zarządzające (KCZ) w Warszawie i Katowicach umożliwiając maksymalie obsługę 1200 użytkowików. 2

3 2. Syteza wymagań awigacyjych a charakterystyki ASG-EUPOS W ramach pięciu serwisów ASG-EUPOS wyodrębioo trzy z ich, których wykorzystaie obejmuje użytkowików awigacyjych [8]: NAWGEO serwis udostępiający poprawki RTK, umożliwiający wyzaczeie współrzędych płaskich z błędem średim ie większym iż 0.03 m oraz wysokości z błędem średim ie większym iż 0.05 m przy wykorzystaiu odbiorika L1/L2 RTK, KODGIS serwis udostępiający poprawki RTK/DGNSS, umożliwiający wyzaczeie współrzędych z błędem średim ie większym iż 0.25 m przy korzystaiu z odbiorika L1/L2 oraz ie większym iż 1.5 m przy wykorzystaiu odbiorika L1, NAWGIS serwis udostępiający poprawki DGNSS, umożliwiający wyzaczeie współrzędych z błędem średim ie większym iż 3.0 m przy wykorzystaiu odbiorika L1. Podstawowe charakterystyki eksploatacyje powyższych serwisów zestawioo w tabeli 1. Tabela 1. Charakterystyka serwisów w czasie rzeczywistym ASG-EUPOS Waruki pomiaru NAWGEO KODGIS NAWGIS Tryb pracy czas rzeczywisty czas rzeczywisty czas rzeczywisty Metoda pomiaru Kiematycza (RTK) Różicowa (DGNSS) Różicowa (DGNSS) Format daych RTCM wersja 3.1, RTCM wersja 2.3 FKP, RTCM wersja 2.3 VRS RTCM wersja 2.x RTCM wersja 3.1* Przezaczeie geodezja/ awigacja geodezja/ awigacja awigacja Sposób odbioru daych GPRS/Iteret GPRS/Iteret GPRS/Iteret Odbiorik L1/L2, modem GPRS L1, modem GPRS L1, modem GPRS dokładość pomiaru < 0.03 m w poziomie < 0.05 m w pioie < 0.25m < 1.0 m 3

4 Nawigacja Lądowa trasport kołowy b.p. TTA dost. strefa dział. awigacja i kierowaie ruchem icydety i wezwaia pomocy zarządzaie ruchem automat. zatrzymywaie a rogatkach kolejowych kierowaie pojazdami i kotrola uikaie kolizji, kotrola uikaie kolizji, sytuacje zagrożeia zbieraie daych o wypadkach zarządzaie ifrastrukturą Nawigacja Lądowa trasport kolejowy śledzeie pozycji wyzaczaie prędkości kierowaie automat. zatrzymywaie a rogatkach kolejowych 5-20 m 5-30 m m 5-30 m m 1 m 5 m 30 m 10 m b.p. V<20km/h (+,-) 1 km/h V>20 km/h (+,-) 5 % m 5 s 1 m 1 m miejsce zdarzeia miejsce zdarzeia TTA dost. strefa dział. 5 s miej iż 5 s miej iż 5 s Nawigacja Morska podejście do portu (duże jedostki) 8-20 m 6-10 s podejście do portu (małe jedostki) 8-20 m 6-10 s 99.9 % podejście do portu eksploracja zasobów 1-3 m 5 s 99.0 % żegluga przybrzeża żegluga przybrzeża rekreacja, małe jed. żegluga oceaicza bezpieczeństwo żegluga oceaicza pozostałe obiekty Nawigacja Loticza przelot ad oceaem przelot w korytarzu zbliżaie podejście ieprecyzyje podejście precyzyje kat. I podejście precyzyje kat. II podejście precyzyje kat. III b.p Mm brak Należy zauważyć, że przedstawioe charakterystyki serwisów awigacyjych ASG- EUPOS obejmują jedyie wielkości maksymalego błędu wyzaczeń pozycji ie wskazując pozostałych miar, rówie istotych z puktu widzeia procesu awigacji. Współczesy system awigacyjy, poza dokładością wyzaczeń wiie charakteryzować się określoą strefą działaia, dostępością, iezawodością, ciągłością oraz wiarygodością, których ie odajdujemy w specyfikacji serwisów ASG-EUPOS [8]. Wymagaia dla procesu awigacji obiektów określoo w wielu dokumetach ormatywych, z których za ajbardziej reprezetatywe uzaje się Federaly Pla Radioawigacyjy USA [11] oraz Europejski Pla Radioawigacyjy [5] wskazujące pozostałe (pozadokładościowe) charakterystyki serwisów. W poiższej tabeli przedstawioo, w sposób sytetyczy, wymagaia stawiae różym formom awigacji oraz serwisom pozycyjym je zapewiającym Mm 2-4 Mm 1-2 Mm b.p. TTA dost. strefa dział. 23 km 30 s % m 1000 m 500 m 100 m 17.1 m (h) 4.1 m (v) 5.2 m (h) 1.7 m (v) 4.1 m (h) 0.6 m (v) TTA dost. strefa dział. brak brak brak 10 s 10 s 10 s 6 s 2 s 2 s 99.0 % 99.0 % 99.0 % % m % % % % % Nawigacja Kosmicza -brak dostępych daych porty i podejścia porty i podejścia porty i podejścia wody przybrzeże wody przybrzeże globala globala m m m m m Rys. 2. Wybrae wymagaia dla awigacyjych aplikacji lądowych, morskich i powietrzych (bp - błąd pozycji, TTA czas do alarmu, dost. - dostępość) [5],[10], [11]. 4

5 Należy w tym miejscu podkreślić, iż charakterystyki awigacyje ASG-EUPOS określoe przez Główy Urząd Geodezji Kartografii [8] uiemożliwiają jedozaczą oceę przydatości tego systemu dla awigacji, tym bardziej iż w jego strukturze ie przewidziao stacji moitorujących zapewiających, w przypadku przekroczeia określoych progów, geerowaie i przekazywaie do użytkowika alarmów o wadliwej pracy. 3. Dostępość błędu wyzaczeń pozycji ASG-EUPOS Dla ocey przydatości aktywej sieci ASG-EUPOS dla procesu awigacji, umożliwiającej połączeie błędu wyzaczeń z poziomem dostępości propouje się zastosować model wykorzystujący elemety teorii iezawodości. Jeśli przyjmiemy, że proces wyzaczeń współrzędych pozycji jest procesem alterującym z odową, wtedy moża w fukcji czasu przypisać mu dwa stay: sta pracy (zdatości), w którym błąd wyzaczeń współrzędych jest miejszy iż ustaloa arbitralie wartość U dla 1,2,..., oraz sta awarii (iezdatości), w których zachodzi zależość U. Niech X 1, X 2,... ozaczają długości czasów pracy, a Y1 Y,... odpowiadają czasom ich awarii;, 2 wówczas momety czasu Z X1 Y X Y... Y X, 1,2,... stają się chwilami awarii, atomiast momety Z Z Y są mometami odowy. Załóżmy, że zmiee losowe X, Y dla i 1,2,... są zmieymi iezależymi oraz że ich i i czasy pracy i czasy awarii mają jedakowe typy rozkładów. Zdefiiujmy dostępość określoej wartości błędu wyzaczeń pozycji jako prawdopodobieństwo tego, iż w dowolym momecie czasu t błąd wyzaczeia współrzędych pozycji, 1,2,... będzie miejszy lub rówy od wartości U ustalaej arbitralie. W oparciu o powyższe założeia określmy proces iezawodościowy, w którym o jego staie (praca, awaria) decyduje relacja pomiędzy błędem pojedyczego pomiaru oraz parametrem U. Zatem, iech iterpretacją stau iezawodościowego procesu postaci: t będzie biarą 5

6 1, Z t Z 1 ( t) dla 0,1,... (1) 0, Z 1 t Z 1 Nawiązując do defiicji fukcji dostępości zapropoowaej powyżej, ozaczmy ją zmieą D (t) i przypiszmy formułę postaci D( t) P ( t) U, (2) której ostateczą formę zapropoowao jako [11] gdzie: F (x) dystrybuata czasów zdatości, t D( t) 1 F( t) 1 F( t x) dh ( x), (3) 0 1 H ( x) ( x) fukcja odowy strumieia utworzoego przez momety odowy pracy systemu pozycyjego. Wartość graiczą fukcji D (t) będącą współczyikiem dostępości - A moża wyzaczyć jako: A lim t D( t) lim t 1 E( X ) E( Y) 1 E( X ) E( Y) 1 F( u) du lim R( u) du, 0 t 0 (4) gdzie E (X ) oraz E (Y ) ozaczają wartości oczekiwae czasów pracy i awarii. Poieważ zachodzi 6

7 R ( u) du E( X ) 0 (5) oraz przyjmując rozkłady czasów pracy i awarii jako wykładicze, o fukcjach gęstości postaci f t e 0 t dla dla t 0 t 0, (6) gdzie: itesywość uszkodzeń, itesywość apraw, współczyik dostępości określoej wartości błędu określeia współrzędych wyiesie: E( X ) A. (7) E( X ) E( Y) Przedstawioy powyżej model matematyczy zastosowao do współrzędych określoych przez pojedyczy odbiorik pracujący w serwisie NAVGEO i przemieszczający się w sieci ASG-EUPOS, podczas pomiarów iwetaryzacyjych trasy kolejowej [6]. Wartości błędu pozycji dla pojedyczego odbiorika wraz z wartością biarą stau pracy, dla wartości progowej 0.05 m, przedstawioo a poiższym rysuku. 7

8 Rys. 3. Wartość błędu pozycji (liia ciągła) oraz biara wartość stau iezawodościowego [0,1] (liia przerywaa) w fukcji czasu. W kolejym etapie wyzaczoo fukcję dostępości oraz jej wartość graiczą (rys. 4). Rys. 4. Fukcja dostępości określoej wartości błędu wyzaczeń D(t) oraz jej wartość graicza A. Z przeprowadzoych aaliz wyika, że dostępość współrzędych pozycji, którego wartość jest ie większa iż 5 cm serwisu NAVGEO sieci ASG-EUPOS wyiosła podczas pomiarów jedyie %, co ie spełia podstawowych wymagań w zakresie dostępości serwisów awigacyjych określoych w [5] i [12]. 4. Wioski Z przedstawioych aaliz wyikają astępujące wioski: 1. Aktywa Sieć Geodezyja ASG-EUPOS ie specyfikuje pełych charakterystyk awigacyjych obejmujących miary iezawodościowe i wiarygodościowe. 2. Przeprowadzoe badaia wskazują a ograiczeia zastosowaia sieci w aplikacjach awigacyjych. 8

9 3. Brak systemu ocey wiarygodości (w czasie rzeczywistym) uiemożliwia iformowaie użytkowików o aktualym staie pracy lub awarii. 4. Dae statystycze o liczbie użytkowików kodowych serwisów awigacyjych czasu rzeczywistego (NAVGIS -0.5 % oraz KODGIS 0.8% ) prezetowae a portalu serwisu wskazują a margiale wykorzystaie ASG-EUPOS w awigacji. 5. Zasadym wydaje się podjęcie prac ad wykorzystaiem ASG-EUPOS w awigacji poprzez moderizację struktury sieci i implemetację stacji moitorujących. LITERATURA [1] L.W Bara, J.B Zieliński: Active GPS Statios as a New Geeratio of the Geodetic Network. Geodezja i Kartografia, t. XLVII, z. 1-2, 1998, ss [2] L.W Bara, S. Oszczak, J.B Zieliński: Wykorzystaie techik kosmiczych w geodezji i awigacji w Polsce. Nauka r 4/2008, 2008, ss [3] J. Bosy, W. Graszka, M. Leoczyk: ASG-EUPOS The Polish Cotributio to The EUPOS Project. Symposium o Global Navigatio Satellite Systems, Berli, November 2008 [4] A. Ciećko, B. Oszczak, S. Oszczak: Determiatio of Accuracy ad Coverage of Permaet Referece Statio DGPS/RTK i Gdyia. Proceedigs of the 7th Bilateral Geodetic Meetig Italy- Polad, May 2003, Bressaoe, Italy, Reports o Geodesy r 2 (65), 2003 pp [5] Helios Techology Ltd: Europea Radio Navigatio Services, Developmet of the Europea Uio Radio avigatio Pla. P377D , 25 October [6] W. Koc, C. Specht, A. Jurkowska, P. Chrostowski, A. Nowak, L. Lewiński, M. Borowski: Określaie przebiegu trasy kolejowej a drodze pomiarów satelitarych. II Koferecja Naukowo-Techicza Projektowaie, Budowa i Utrzymaie Ifrastruktury w Trasporcie Szyowym - INFRASZYN 2009, Zakopae, kwietia [7] RTCM: Recommeded Stadards for Differetial GNSS (Global Navigatio Satellite Systems) Service. versio 3.0, RTCM Paper /SC104-STD, 2004 [8] Z. Rzepecka, M. Atosiewicz, M. Bakuła, K. Chaberski, J. Kudrys, A. Walasek: Wytycze Techicze G-1.12, Pomiary satelitare oparte a systemie precyzyjego pozycjoowaia ASG- EUPOS. Projekt wytyczych z dia r. [9] Specht C. wraz z zespołem: Wykoaie testów ifrastruktury i usług systemu precyzyjego pozycjoowaia satelitarego ASG-EUPOS. Sprawozdaie z projektu badawczego a zleceie Główego Urzędu Geodezji i Kartografii w zakresie: Wykoaie testów ifrastruktury systemu ASG-EUPOS oraz wykoaia testów usług systemu ASG-EUPOS. Kosorcjum aukowe: Politechika Gdańska/Uiwersytet Warmińsko Mazurski / Akademia Maryarki Wojeej, majczerwiec

10 [10] C. Specht: System GPS. Wydawictwo Berardium, Pelpli, [11] C. Specht: Availability of the Certai Value of Positio Error i the Navigatioal Systems- Model Applicatio. 7th Iteratioal Symposium o Navigatio- Tras-Nav 2007, Gdyia, APPLICATION OF ACTIVE GEODETIC NETWORK ASG-EUPOS IN NAVIGATION Abstract. Global Navigatio Satellites Systems(GNSS) are a basic sources of positioig iformatio i moder avigatio ad trasport. Its applicatio versatility results from high operatioal characteristic like: accuracy, availability, reliability, cotiuity ad itegrity. Natioal Active Geodetic Networks, as a kid of augmetatio GPS solutio, have bee established i differet coutries last te years ad they are also assiged for avigatio purposes. The article presets Polish Active Geodetic Network ASG-EUPOS, it s avigatioal services, suggests method of positio availability estimatio ad idicates limitatios of utilizatio. Key words: Geodesy ad Cartography, GPS, ASG-EUPOS, avigatio 10