RYS HISTORYCZNY GEODEZYJNE POMIARY SATELITARNE PRZED EPOKĄ GPS PRZYPOMNIENIE PODSTAWOWYCH INFORMACJI O SYSTEMACH SATELITARNYCH: TRANSIT, CYKADA, NAVSTAR/GPS, GLONASS, GALILEO, BEIDOU I INNE AKTUALNY STATUS SYSTEMÓW 1
Pierwsze obserwacje satelitarne o charakterze geodezyjnym rozpoczęto w roku 1957 po wystrzeleniu Sputnika 1 (pierwszego sztucznego satelity Ziemi). Były to obserwacje wizualne z wykorzystaniem lunet i teleskopów (o powiększeniach od 6 do 24 x) oraz radiowe. Rejestracja momentów przejść satelity przez południk miejsca obserwacji. Obserwacje miały na celu wyznaczenie późniejszych współrzędnych i czasu efemeryd satelity. W kolejnych latach wykorzystywano przystosowane do tego typu obserwacji teodolity. Dokładność obserwacji była jednak tak niska, iż geodezyjne wykorzystanie do określenia pozycji stacji naziemnej, obserwacyjnej nie było celowe. 2
Na początku lat 60-tych powstają pierwsze konstrukcje kamer do fotograficznych obserwacji sztucznych satelitów Ziemi (SSZ). To tzw. kamery satelitarne do rejestracji momentu ekspozycji fotograficznej SSZ na tle gwiazd. Dokładność rejestracji czasu, w którym wykonano zdjęcie 0.1 0.5 ms wg zegara kamery a 1 2 ms po dowiązaniu do skali czasu. Konieczność obserwacji/rejestracji jak największej liczby gwiazd i na ich tle SSZ. Występowała niekorzystna różnica jasności gwiazd i SSZ. Stosowano kamery z urządzeniami do śledzenia ruchu dobowego sfery niebieskiej. Gwiazdy jako obiekty punktowe, a satelita kreślił liniowy tor. Stosowano też kamery z możliwością śledzenia ruchu satelity. 3
Wybrane kamery satelitarne: Baker-Nunn amerykańska, AFU-75 - radziecka, BC-4 szwajcarska - Wild, SGB niemiecka - Zeiss, PC 1000 amerykańska, PO-2 polska. Baker-Nunn z wykorzystaniem teleskopu Schmidta BC-4 4
Obserwacje fotograficzne pozwalające uzyskać precyzję wyznaczenia kierunku do SSZ 0.5 2 wymagały nowych katalogów gwiazd (liczba gwiazd ok. 200 000, dokładność 0.15 ). Etapy opracowania prowadzącego do uzyskania współrzędnych topocentrycznych równikowych SSZ: przygotowanie efemeryd, obserwacje, obróbka fotochemiczna, ocena jakości, opracowanie fotogramów: identyfikacja śladów gwiazd oporowych, śladów SSZ, pomiar współrzędnych, znaczków czasowych, redukcje obserwacji, transformacje pomiędzy układami. 5
Podstawą triangulacji satelitarnej są wektory jednostkowe cięciw łączących stacje satelitarne. Płaszczyzna synchroniczności Zasada triangulacji satelitarnej Powstaje sieć triangulacji satelitarnej, ale z bazami pomierzonymi metodami naziemnymi (aby określić skalę sieci). 6
Na orbitach umieszczano też satelity-balony o powłokach jasnych-odblaskowych, satelity wysyłające błyski celem synchronizacji obserwacji z różnych stacji. Do sieci triangulacyjnych włączano obserwacje laserowe odległości do SSZ (inne satelity ze specjalnymi lustrami). Umożliwiono w ten sposób połączenie sieci kontynentalnych i dowiązanie do nich odległych wysp. Sieć o zasięgu światowym założona przez US Coast and Geodetic Survey. Błąd położenia punktu w sieciach triangulacji satelitarnej ok. 5 m. Obserwacje fotograficzne, obserwacje laserowe umożliwiły studia nad perturbacjami orbit SSZ przez ziemskie pole grawitacyjne, wyznaczenie współczynników tego pola. Wyznaczono precyzyjniej wymiary i parametry kształtu Ziemi. Obserwacje fotograficzne utorowały drogę następnym satelitarnym metodom wyznaczania pozycji: systemom TRANSIT i NAVSTAR. 7
WOJSKOWE SYSTEMY NAWIGACYJNE W 1960 został skonstruowany system satelitarny MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control), mający określać koordynaty ruchomych wyrzutni rakiet Minuteman. Z powodu zawieszenia prac nad systemem rakietowym nigdy nie zaczął funkcjonować. SECOR (Sequential Collation of Range) to uruchomiony w kwietniu 1964 satelitarny system lokalizacyjny i nawigacyjny. Był złożony z trzynastu satelitów, stworzony został na potrzeby wojsk lądowych. 8
SYSTEM NAWIGACYJNY TRANSIT TRANSIT (US Navy Navigation Satelite System, NNSS, SATNAV) uruchomiony w 1964 roku (po 4 letnich testach), od 1967 udostępniony użytkownikom cywilnym. Powstał na potrzeby armii. Satelity umieszczano na niskich orbitach okołobiegunowych na wysokości około 1100 km nad powierzchnią Ziemi. Okres obiegu satelity wokół Ziemi wynosił ok. 106 minut. Do zapewnienia globalnego zasięgu systemu potrzebna była konstelacja pięciu satelitów. W okresie normalnej działalności systemu na orbicie było utrzymywanych 10 satelitów (5 zapasowych). Satelity krążyły na wysokości ok. 1075 km, na której efekt Dopplera jest najwyraźniejszy. 9
SYSTEM NAWIGACYJNY TRANSIT ZASADA POMIARÓW DOPLEROWSKICH W SYSTEMIE TRANSIT Konstelacja satelitów Transit w sposób ciągły nadawała sygnał zawierający dokładny aktualny czas oraz parametry swojej orbity. Dane te były regularnie wysyłane do satelitów przez stacje naziemne Marynarki Wojennej. Informacje w sygnale pozwalały wyznaczyć pozycję satelity w dowolnej chwili. Gdy satelita zbliżał się do odbiornika systemu, odbierana częstotliwość stawała się większa od nadawanej w wyniku zjawiska Dopplera. Odwrotnie działo się, gdy satelita oddalał się od odbiornika. Zmiana różnicy tych częstotliwości i jej tempo informuje o odległości satelity od odbiornika i o jego położeniu względem satelity (lewo, prawo). Obliczenie tych poprawek wymagało skomplikowanych obliczeń, praktycznie niemożliwych do przeprowadzenia manualnie. 10
SYSTEM NAWIGACYJNY TRANSIT Podczas przejścia satelity, odbiornik odbierał sygnał z danymi z satelity oraz wyznaczał przesunięcie dopplerowskie. Komplet informacji przekazywał komputerowi AN/UYK-1. Komputer otrzymywał również aktualną pozycję statku z bezwładnościowego systemu nawigacji. Wyliczanie nowej pozycji statku zajmowało mu około 15 minut. Ze względu na ułożenie orbit satelitów każdy odbiornik systemu miał kontakt przeważnie tylko z jednym satelitą Transit naraz. Poprawka położenia mogła być wyznaczona dopiero po tym, jak satelita znalazł się nad horyzontem podczas wykonywania kolejnego okrążenia Ziemi i odbiornik wszedł w kontakt z tym satelitą. Na średnich szerokościach geograficznych oznaczało to jedno lub dwugodzinne oczekiwanie na pojawienie się następnego satelity i wyznaczenie kolejnej pozycji, w okolicach równika - kilkugodzinne. Transit nie był zatem w stanie wyznaczać dynamicznie, w czasie rzeczywistym, pozycji odbiorników. Aby uzyskać pozycję w przerwach pomiędzy kolejnymi przejściami satelitów, stosowano urządzenia nawigacji bezwładnościowej lub nawigację zliczeniową. Późniejsze zaawansowane odbiorniki Transit same zliczały pozycję w czasie rzeczywistym na podstawie danych z logu i żyrokompasu, ale nie było to dokładne ze względu na wpływ prądów morskich i wiatru. 11
SYSTEM NAWIGACYJNY TRANSIT Satelity systemu TRANSIT transmitowały 2 częstotliwości (150 i 400 MHz dwie ze względu na refakcję jonosferyczną), retransmitowały też efemerydy pokładowe. Ich dane były uaktualniane dwa razy dziennie, przy okazji odbioru danych telemetrycznych przez stacje kontrolne. Dokładność tych efemeryd pokładowych wynosiła 10-30 m. Dokładność systemu była stopniowo polepszana od 900 m w roku 1962, 185 m w 1969, do 36 metrów w roku 1971. Przy pojedynczym przejściu satelity system TRANSIT zapewniał dokładność określenia pozycji ok. 200 metrów i synchronizację czasu ok. 50 μs. Efemerydy precyzyjne (1-2 m) określane a posteriori w wyniku śledzenia satelitów, udostępniane były tylko niektórym użytkownikom. Z podobną dokładnością można było wyznaczyć po ich zastosowaniu pozycje stacji. Przy wyznaczanie względnych pozycji (różnic współrzędnych) stacji osiagano dokładność 0.2-0.5 m. Odbiorniki dopplerowskie wytwarzało tylko kilka firm na świecie: Magnavox, Torrance, JMR Instr., Chatsworth, Canadian Marconi Co.. 12
SYSTEM NAWIGACYJNY TRANSIT W maju 1967 roku marynarka USA umieściła na orbicie pierwszego satelitę serii TIMATION. Projekt TIMATION od 1973 roku połączony z projektem systemu USAF 621B dał początek projektowi DNSS (Defense Navigation Satellite System). Trzeci satelita DNSS był już demonstratorem systemu GPS (Global Positioning System). 13
SYSTEM NAWIGACYJNY CYKLON Powstanie tego dopplerowskiego systemu, podobnie jak w przypadku systemu TRANSIT, zdeterminowane było potrzebami armii - tym razem radzieckiej, także dysponującej atomowymi łodziami podwodnymi. W 1962 r. gotowy był zarys projektu eksperymentalnego satelity nawigacyjnego określonego nazwą CYKLON. Start pierwszego satelity tej serii nastąpił 15 maja 1967 r. Testy przeprowadzone na Morzu Czarnym nie dały jednak zadowalających rezultatów. Pozycję można było wyznaczyć zaledwie z dokładnością 3 km. Potrzebne były lepsze modele opisujące trajektorię satelitów i dokładne mapy anomalii pola grawitacyjnego Ziemi. W 1969 roku osiągnięto już precyzję rzędu 100 m. Fazę testowania operacyjnego rozpoczęto dopiero w 1974 r. Ostatniego satelitę tej serii (ważącego 920 kg) wyniesiono na orbitę 27 lutego 1978 r. 14
SYSTEM NAWIGACYJNY CYKADA System nawigacyjny drugiej generacji powstał w wyniku współpracy marynarki wojennej, Akademii Nauk i Ministerstwa Żeglugi ZSRR właśnie na bazie dopplerowskiego CYKLONA. Używano częstotliwości 150 i 400 MHz. Działanie systemu opierało się na pomiarze dopplerowskiego przesunięcia sygnału radiowego, emitowanego przez satelity. Prace nad nim rozpoczęto w 1974 r. 15 grudnia 1976 r. pierwszy testowy satelita (o wadze 810 kg) został umieszczony na orbicie o perygeum 952 km i apogeum 1003 km. Kilkanaście miesięcy później (31 marca 1978 r.) wystrzelono pierwszego satelitę operacyjnego tej serii (Kosmos 1000). 15
SYSTEM NAWIGACYJNY CYKADA Wojskowy Cykada-M i cywilny Cykada. W 1979 roku zezwolono na korzystanie z serwisu nawigacyjnego marynarce wojennej i statkom rybackim (w ramach COSPAS-SARSAT). Dopiero od 1987 r. możliwe było wykorzystywanie systemu przez statki handlowe i rybackie na terenie całego globu. Ogółem umieszczono na orbicie 22 satelity CYKADA, ostatni 5 lutego 1995 r. Uzyskiwano dokładność wyznaczania położenia rzędu 100 m, lecz należy przypuszczać, że w normalnych warunkach powtarzalne pomiary były obarczone znacznie większym błędem - niezbyt dokładne zegary kwarcowe. 16
SYSTEM NAWIGACYJNY NAVSTAR/GPS http://www.gps.gov/ 17
SYSTEM NAWIGACYJNY NAVSTAR/GPS GPS (Global Positioning System) Navstar (NAVigational Satellite Time And Ranging) został sfinansowany i zbudowany przez Departament Obrony USA. Jego kontrolą i zarządzaniem zajmuje się obecnie amerykańska komisja PNT (The National Space-Based Positioning, Navigation, and Timing Executive Committee). Pierwszy satelita tego systemu został wystrzelony już w 1978 roku, lecz o w pełni działającym systemie można mówić dopiero od roku 1995. 29.12.2017-31 funkcjonujących satelitów, docelowo w systemie 32 z czego 24 aktywne przez cały czas. http://www.gps.gov/ 18
SYSTEM NAWIGACYJNY NAVSTAR/GPS Opracowując system przyjęto m.in. wymagania: - działanie całodobowe, - dostępność w każdym miejscu na powierzchni Ziemi, - zachowanie parametrów bez względu na warunki atmosferyczne, - odporność na celowe zakłócenia, - odporność na celowe zniekształcenia, - dokładność określania: pozycji RMS = 10 m, prędkości 0.1 m/s, czasu t < 1 µs, - odbiornik bierny, nie emitujący żadnych sygnałów, - niskie koszty korzystania z systemu. 19
SYSTEM SKŁADA SIĘ Z 3 SEGMENTÓW: KOSMICZNEGO, KONTROLNEGO, UŻYTKOWNIKA SYSTEM NAWIGACYJNY NAVSTAR/GPS 20
NAVSTAR/GPS - SEGMENT KOSMICZNY 21
NAVSTAR/GPS - SEGMENT KOSMICZNY Liczba orbit: 6 Inklinacja orbity: 55 Wysokość orbity: 20 183 km Okres obiegu Ziemi: 11 h 58 m Zajmowane częstotliwości: L1 (1575,42 MHz), L2 (1227,60 MHz), L5 (1176,45 MHz). 22
NAVSTAR/GPS - SEGMENT KONTROLNY 23
Wszystkie satelity GPS są permanentnie obserwowane przez kilka tzw. stacji monitorujących i dla każdego satelity obliczane są precyzyjne elementy jego orbity i poprawka pokładowego zegara atomowego. Te dane są kilka razy dziennie wprowadzane do pamięci komputerów pokładowych na satelitach. W ten sposób każdy satelita ma aktualizowaną swoją pozycję w przestrzeni i synchronizację swego zegara do czasu całego systemu GPS. 24
NAVSTAR/GPS SEGMENT UŻYTKOWNIKA 25
SYSTEM NAWIGACYJNY GLONASS https://www.glonass-iac.ru/en/ 26
SYSTEM NAWIGACYJNY GLONASS System GLONASS (Global Navigation Satellite System lub Globalnaja Nawigacjonnaja Sputnikowaja Sistiema) został zaprojektowany w latach 70-tych ubiegłego wieku równolegle z amerykańskim system NAVSTAR/GPS. Analogicznie do systemu NAVSTAR/GPS GLONASS jest systemem stadiometrycznym, a określanie za jego pomocą pozycji naziemnego użytkownika polega na pomiarze odległości dzielącej tego użytkownika od znajdującego się na orbicie satelity, którego pozycja jest w danym momencie znana. Linią pozycyjną jest więc sfera, której środek stanowi wspomniana pozycja satelity, zaś promień zmierzona odległość. https://www.glonass-iac.ru/en/ 27
SYSTEM NAWIGACYJNY GLONASS Fazę wdrażania systemu GLONASS zakończono w styczniu 1996 r. i rozpoczęto fazę w pełni operacyjną. System GLONASS składa się z trzech komponentów: - konstelacji satelitów (segment kosmiczny), - naziemnej infrastruktury kontroli (segment kontrolny), - sprzętu (odbiorników) użytkownika (segment użytkownika). 28
SYSTEM NAWIGACYJNY GLONASS Segment kosmiczny/orbitalny systemu tworzą satelity Kosmos, produkowane przez Zjednoczenie Naukowo - Produkcyjne Mechaniki Stosowanej Poljot. Wiadomo o czterech seriach satelitów, ale niektóre źródła wymieniają aż 26 odmian. Pierwsze, serii Ia, ważyły 12250 kg i miały żywotność rzędu 1 roku. Później produkowane satelity II W wyposażone w zegary cezowe, ważą 1400 kg i mają działać około 4 lat. Ich baterie słoneczne mają moc 1.6 kw. Rakieta nośna Proton zabiera jednorazowo trzy satelity. 29
SYSTEM NAWIGACYJNY GLONASS Budowa satelity Uragan (okres życia 2-4 lata): - waga 1.4-1.5 t, - kadłub o długości 3 m z bateriami słonecznymi o rozpiętości 7 m, - system napędowy oraz trój-płaszczyznowy układ stabilizacji, - 6 podsystemów: nawigacyjny (3 cezowe wzorce czasu, komputer pokładowy, odbiornik telemetrii, śledzenia i sterowania, nadajnik sygnałów nawigacyjnych), kontroli pracy, kontroli położenia, kontroli termicznej, manewrów orbitalnych, zasilania. 30
SYSTEM NAWIGACYJNY GLONASS Konstelacja systemu GLONASS w fazie operacyjnej składa się z 24 sprawnych satelitów rozmieszczonych na trzech płaszczyznach orbitalnych o parametrach: - różnica długości geograficznych dla węzłów wstępujących orbit wynosi 120º (120º 3=360º), - na każdej z 3 orbit znajduje się 8 równomiernie rozmieszczonych satelitów o argumencie szerokości dwóch sąsiednich 45º (45º 8=360º), - płaszczyzny orbitalne oddalone są względem siebie o 15º argumentu szerokości, - orbity są okręgami o wysokości 19100 km i kącie inklinacji równym 64.8º, - czas jednego obiegu Ziemi przez satelitę wynosi w przybliżeniu 11 h 15 min 44 s. 31
SYSTEM NAWIGACYJNY GLONASS Różnice pomiędzy dwoma systemami dotyczą również układu odniesienia. System amerykański działa w oparciu o układ WGS-84, w rosyjskim używany jest PZ 90. Inny jest te wzorzec czasu, gdy NAVSTAR-GPS używa uniwersalnego czasu UTC, w GLONASS używany jest rosyjski państwowy wzorzec czasu, tzw. Etalon UTC. Satelity amerykańskie nadają w oparciu o technię CDMA, rosyjskie FDMA. 32
SYSTEM NAWIGACYJNY GLONASS 33
SYSTEM NAWIGACYJNY GLONASS 34
SYSTEM NAWIGACYJNY GLONASS Porównanie konstelacji GLONASS i NAVSTAR/GPS 35
SYSTEM NAWIGACYJNY GLONASS Różnice pomiędzy dwoma systemami dotyczą również układu odniesienia. System amerykański działa w oparciu o układ WGS-84, w rosyjskim używany jest PZ 90. Inny jest te wzorzec czasu, gdy GPS używa uniwersalnego czasu UTC, w GLONASS używany jest rosyjski państwowy wzorzec czasu, tzw. Etalon UTC. Satelity amerykańskie nadają w oparciu o technikę CDMA, rosyjskie FDMA. 36
SYSTEM NAWIGACYJNY GLONASS Widzialność satelitów GLONASS (możliwość odbioru sygnałów z danej ilości satelitów nad widnokręgiem) 37
SYSTEM NAWIGACYJNY GLONASS Wartości PDOP przy 5 dn. 17.02.2017 Moscow Time 22:16:00) 38
SYSTEM NAWIGACYJNY GLONASS Segment kontrolny zawiera Centrum Kontroli Systemu (stację główną) oraz sieć 4 stacji śledzących i korygujących rozmieszczonych na terytorium Rosji. Segment kontrolny jest funkcjonalnie zbliżony do GPS, z tym, że znajduje się w całości na terytorium dawnego Związku Radzieckiego. Główna stacja kontrolna znajduje się pod Moskwą. Stacje monitorujące znajdują się w St. Petersburgu, Ternopolu, Jenisiejsku i Komsomolsku. Niezależnie w Niemczech działa stacja monitorująca Neustrelitz oraz jedna w Brazylii (na terenie Uniwersytetu w Brasylii). 39
SYSTEM NAWIGACYJNY GLONASS Do jego najważniejszych zadań należy: - monitorowanie stanu konstelacji śledzenie i kierowanie satelitami, - określenie, prognozowanie i uaktualnianie efemeryd wszystkich satelitów, - synchronizacja wzorców czasu zainstalowanych na satelitach z czasem systemu oraz ustalenie różnicy pomiędzy czasem systemu a UTC (SU), - transmisja depeszy nawigacyjnej. 40
SYSTEM NAWIGACYJNY GALILEO 41
SYSTEM NAWIGACYJNY GALILEO Galileo europejski system nawigacji satelitarnej, uruchomiony 15 grudnia 2016. System jest alternatywą do amerykańskiego systemu GPS, rosyjskiego GLONASS i chińskiego BeiDou, lecz kontrolowany przez instytucje cywilne. Jego zaletą i powodem, dla którego ma być konkurencją i uzupełnieniem GPS-u, jest mniejszy promień błędu (ma on wynosić ok. 1 m na otwartej częstotliwości i ok. 10 cm na częstotliwości płatnej). Prace nad Galileo przeciągały się w czasie. Projekt miał kosztować 1,8 mld euro, ale pochłonął już ponad 10 mld euro. Obecnie na orbicie jest 18 z 30 docelowych satelitów, planowana data osiągnięcia pełnej wydajności operacyjnej to 2020 rok. 42
SYSTEM NAWIGACYJNY GALILEO Segment kosmiczny będzie się składał z 24 satelitów operacyjnych i 6 zapasowych, równomiernie rozmieszczonych na trzech orbitach. Wysokość orbity kołowej (MEO) 23 222 km, a kąt inklinacji 56. Satelity będą nadawać 10 sygnałów w trzech pasmach częstotliwości. Sygnały oznaczone numerami 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9 i 10. Pozostałe sygnały będą szyfrowane i dostępne tylko dla użytkowników mających dostęp do serwisu komercyjnego CS (Commercial Services) i serwisu regulowanego publicznie PRS (Public Regulated Services). Część sygnałów nie będzie zawierać żadnych danych i będzie przeznaczona do wyznaczania poprawki jonosferycznej w celu zwiększenia dokładności. Będzie to istotna przewaga Galileo nad systemem NAVSTAR-GPS dysponującym począwszy od satelitów bloku IIR-M zaledwie trzema częstotliwościami. 43
SYSTEM NAWIGACYJNY GALILEO Sześć sygnałów dla usług ogólnodostępnych i bezpieczeństwa (open, safetyof-life, SAR services - chociaż niektóre z nich będą również udostępniane komercyjnie), dwa dla usług komercyjnych CS (Commercial Services) i dwie ograniczone dla dostępu publicznego PRS (Public Regulated Services). Transmisja odbywać się będzie w następujących pasmach: - E5A-E5B, 1164-1215 MHz, przyznanego dla radionawigacyjnych usług satelitarnych (RNSS) na światowym kongresie radiokomunikacyjnym WRC- 2000 w Istambule; - E6, 1260-1300 MHz, przyznanych dla RNSS na WRC-2000; - E2-L1-E1, 1559-1591 MHz, przyznanych dla RNSS przed WRC-2000 i używanych przez GPS, - C, 4000-8000 MHz dla satelitów Galileo drugiej generacji. 44
SYSTEM NAWIGACYJNY GALILEO Zestawienie częstotliwości sygnałów NAVSTAR GPS i Galileo: System Sygnał Częstotliwość [MHz] Galileo GPS L1 E6 E5b E5a L1 L2 L5 1575,42 1278,75 1207,14 1176,45 1575,42 1227,60 1176,45 45
SYSTEM NAWIGACYJNY GALILEO Charakterystyka satelitów systemu Galileo Generacje Cecha Opis Planowana żywotność Masa przynajmniej 12 lat 700 kg Satelity 1-4 Wymiary z panelami 2,74 x 14,5 x 1,59 m Satelity 5-26 Moc generowana przez baterie Planowana żywotność Masa Wymiary z panelami Moc generowana przez baterie 1420 W przynajmniej 12 lat 732.8 kg 2,5 x 14,67 x 1,1 m 1900 W 46
SYSTEM NAWIGACYJNY GALILEO Serwis otwarty (Open Service - OS) Jest to darmowy serwis przeznaczony dla użytkowników masowych. Dokładność wyznaczania pozycji ma tutaj sięgać 1 metra. Serwis bezpieczeństwa życia (Safety of Life Service - SoL) Będzie rozszerzeniem serwisu otwartego. Jego zadaniem będzie przede wszystkim zagwarantowanie ciągłości odbioru danych z satelitów, co ma szczególnie duże znaczenia w zastosowaniach takich jak transport morski oraz lotnictwo. Serwis komercyjny (Commercial Service - CS) - szyfrowany Korzystanie z niego będzie odpłatne, jednak w zamian za to możemy liczyć na bardzo dużą dokładność, nawet w graniach kilku centymetrów. 47
SYSTEM NAWIGACYJNY GALILEO Segment naziemny systemu Galileo Nawigacja Galileo nie mogłaby poprawnie funkcjonować bez istnienia systemu kontroli oraz zarządzenia. Taką rolę spełnia segment naziemny. Tworzą go dwa podsystemy: Ground Control Segment (GCS) oraz Ground Mission Segment (GMS). Zadaniem GCS jest utrzymanie właściwej konstelacji satelitów oraz kontrolowanie ich stanu technicznego. Najważniejszymi elementami GCS jest GCC oraz stacje TT&C, którymi przesyłane są m.in. dane korekcyjne. Z kolei GMS odpowiada za bieżące utrzymanie systemu. Możliwe jest to dzięki GSS, którego zadaniem jest ciągły nasłuch sygnału satelitarnego. Dane zebrane przez GSS przesyłane są do GCC, tam są analizowana, a następnie opracowywana jest depesza nawigacyjna, która przesyłana jest przez stacje ULS. 48
SYSTEM NAWIGACYJNY GALILEO 49
SYSTEM NAWIGACYJNY GALILEO Serwis regulowany publicznie (Public Regulated Service - PRS) szyfrowany Serwis ten będzie przeznaczony dla instytucji związanych z bezpieczeństwem narodowym, transportem, telekomunikacją, energetyką itd. Będą z niego korzystać także organy ścigania. Usługa ta będzie dostępna nawet w sytuacjach kryzysowych, gdy inne serwisy zostaną wyłączone. Serwis poszukiwania i ratowania (Search and Rescue Service - SAR) Będzie zintegrowany z systemem ratownictwa morskiego i lotniczego COSPAS-SARSAT 50
SYSTEM NAWIGACYJNY BEIDOU do 2012 r. Compass BeiDou Wielka Niedźwiedzica http://www.beidou.gov.cn/ 51
SYSTEM NAWIGACYJNY BEIDOU http://www.beidou.gov.cn/ 52
SYSTEM NAWIGACYJNY BEIDOU Wszystkie obecnie funkcjonujące systemy nawigacji satelitarnej posiadają trzyczęściową budowę. Chiński system nie jest wyjątkiem. Segment kosmiczny (satelity), użytkownika (odbiorniki do nawigacji) oraz kontroli (stacje nadzorujące). 53
SYSTEM NAWIGACYJNY BEIDOU Segment kosmiczny systemu BeiDou BeiDou docelowo będzie dysponował 35 satelitami, przy czym 27 będzie znajdować się na średniej orbicie okołoziemskiej (MEA), 5 na orbicie geostacjonarnej (GEO), a 3 na orbicie geosynchronicznej (IGSO). Dla satelitów MEO i IGSO inklinacja będzie wynosić 55. Satelity będą orbitować na wysokości 21 500 km (MEA) oraz 35 786 km (IGSO). Pierwszy satelita nawigacji BeiDou został wystrzelony 13 kwietnia 2007 roku. Obecnie na orbicie znajduje się 27 satelit. Chiński system ma osiągnąć pełną operacyjność w 2020 roku, ale może się to stać już w 2017 roku. W grudniu 2011, system ten był w pełni funkcjonalny na znacznym obszarze Azji oraz w Australii. Sygnał z satelitów będzie nadawany na następujących częstotliwościach: - B1 (E2 ): 1561,098 MHz - B1-2 (E1 ): 1589,742 MHz - B2 (E5b): 1207,14 MHz - B3 (E6): 1268,52 MHz Wraz z satelitami III generacji (pierwsza została wystrzelona 30 marca 2015 roku) nastąpiła zmiana częstotliwości B1 z 1561,098 na 1575,42 MHz, czyli na taką jak częstotliwości cywilne GPS (L1) oraz Galileo (E1). 54
SYSTEM NAWIGACYJNY BEIDOU Segment kontroli systemu BeiDou To różnego rodzaju stacje naziemne, których zadaniem jest czuwanie nad prawidłowym funkcjonowaniem systemu. Najważniejsze elementy segmentu kontroli to: Główna Stacja kontroli (Master Control Station) - odpowiedzialna za utrzymanie prawidłowej konstelacji satelitów. MCS analizuje także dane otrzymane ze Stacji Monitorujących i na tej podstawie generuje tzw. depeszę nawigacyjną (almanach, efemerydy, poprawki). Stacje Przesyłające (Upload Stations) - ich najważniejszą częścią są anteny, którymi przesyłane są dane z MCS do satelitów. Stacje Monitorujące (Monitor Stations) - rozmieszczone w różnych miejscach na Ziemi. Ich zadaniem jest ciągły odbiór sygnału z satelitów. Zebrane dane przekazywane są do MCS. Stacje przesyłające chińskiego systemu BeiDou 55
SYSTEM NAWIGACYJNY BEIDOU Segment użytkownika systemu BeiDou Chińska nawigacja satelitarna będzie oferować dwa poziomy dokładności: ogólnodostępną oraz szyfrowaną. Ta pierwsza umożliwi wyznaczanie pozycji z dokładnością do 10 m (50 ns dla czasu oraz 0,2 m/s dla prędkości). Sygnał szyfrowany zapewni dokładność sięgającą aż 10 cm (brak szczegółowych informacji odnośnie czasu oraz prędkości). Sygnał kodowany będzie przeznaczony dla chińskiej armii. W maju 2014 roku pojawiły się informacje, że również pakistańskie siły zbrojne będą korzystały z szyfrowanego sygnału nawigacji BeiDou (na mocy porozumienia z chińskim rządem). Czymś unikatowym dla chińskiej nawigacji jest możliwość przesyłania krótkich wiadomości SMS (Short Message Service) pomiędzy użytkownikami systemu lub stacjami naziemnymi (obecnie do 120 znaków chińskich na wiadomość). Prawdopodobnie w przyszłości technologia ta zostanie rozwinięta w kierunku przesyłania dłuższych wiadomości. 56
SYSTEM NAWIGACYJNY BEIDOU Obecny zasięg chińskiej nawigacji satelitarnej BeiDou 57
SYSTEM NAWIGACYJNY IRNSS http://isro.gov.in/ 58
SYSTEM NAWIGACYJNY IRNSS Indie posiadają swoją własną nawigację satelitarną, zwaną IRNSS (Indian Regional Navigational Satellite System). System ten znany jest również pod nazwą NAVIC (NAVigation with Indian Constellation) - w sanskrycie NAVIC oznacza marynarza lub nawigatora. IRNSS - NAVIC - w odróżnieniu od innych systemów był projektowany jako system o zasięgu lokalnym, tzw. RNSS (ang. Regional Navigation Satellite System). IRNSS pokrywa swoim zasięgiem obszar Indii oraz tereny w odległości około 1500 km od granicy kraju. 59
SYSTEM NAWIGACYJNY IRNSS W 1999 roku Indie i Pakistan stanęły u progu wojny. Świat z zapartym tchem patrzył jak dwa mocarstwa atomowe szykują się do otwartej konfrontacji. USA ograniczyło dostępność sygnału nawigacji GPS nad spornym obszarem Kaszmiru co w pewnym stopniu utrudniło to działania wojsk, zwłaszcza indyjskich, które w tamtym czasie dysponowały bardziej wyrafinowanym sprzętem. Po tych wydarzeniach przywódcy indyjscy podjęli decyzję o budowie własnego systemu nawigacji satelitarnej zatwierdzenie projektu miało miejsce w maju 2006 roku. W kwietniu 2016 roku wyniesiono na orbitę ostatniego satelitę. 60
SYSTEM NAWIGACYJNY IRNSS Segment kosmiczny Segment kosmiczny systemu NAVIC to 7 satelit: 3 satelity na orbicie geostacjonarnej, 4 satelity na orbicie geosynchronicznej (~ 36 000 km nad Ziemią w przypadku jednej i drugiej orbity). 61
SYSTEM NAWIGACYJNY IRNSS Nazwa Wystrzelono Orbita Inklinacja Perycentrum Apocentrum IRNSS-1A 1 lipca 2013 geosynchroniczna 28.5 35 779,0 km 35 961,2 km IRNSS-1B 4 kwietnia 2014 geosynchroniczna 29.4 35 715,8 km 35 867,7 km IRNSS-1C 16 października 2014 geostacjonarna (83 E) 3.4 35 698,2 km 35 889,1 km IRNSS-1D 28 marca 2015 geosynchroniczna 29.4 35 716,4 km 35 869,1 km IRNSS-1E 20 stycznia 2016 geosynchroniczna 28.5 35 710,6 km 35 879,2 km IRNSS-1F 10 marca 2016 geostacjonarna (32,5 E) 4.5 35 723,7 km 35 865,1 km IRNSS-1G 28 kwietnia 2016 geostacjonarna (131,5 E) 4.6 35 858,7 km 35 881,5 km 62
SYSTEM NAWIGACYJNY IRNSS 63
SYSTEM NAWIGACYJNY IRNSS IRNSS nadaje sygnał w dwóch wariantach: - SPS (ang. Standard Positioning Service; dostępny dla cywilów), - PS (ang. Precision Service; zaszyfrowany). Zarówno jeden jak i drugi sygnał przenoszony jest na dwóch częstotliwościach: - L5 (1176.45 MHz) - S band (2492.028 MHz). Dostępne są odbiorniki jednoczęstotliwościowe (tylko dla L5 lub S band) lub dwuczęstotliwościowe (zarówno dla L5 oraz S band). 64
SYSTEM NAWIGACYJNY IRNSS Orientacyjny zasięg systemu IRNSS IRNSS dysponuje dokładnością na poziomie 20 m (poza obszarem Indii), 10 m (otwarty sygnał na obszarze Indii), 0,1 m (szyfrowany sygnał dla indyjskiego wojska). 65
SYSTEM NAWIGACYJNY IRNSS Segment naziemny systemu IRNSS NAVIC dysponuje naziemnym segmentem, odpowiedzialnym za zarządzanie oraz kontrolę całego systemu. Jego najważniejsze elementy to: SCC - Space Craft Control Centre (główne centrum kontroli), INC - Navigation Centre (centrum nawigacyjne), IRTTC - TTC & Uplinking Stations (anteny przesyłające różnego rodzaju dane korekcyjne do satelitów), IRIMS - Range and Integrity Monitoring Stations, IRNWT - Timing Centre (centrum kontroli czasu), IRCDR - CDMA Ranging Stations (stacje CDMA), ILRS - Laser Ranging Station, IRDCN - Data Communication Network. 66
SYSTEM NAWIGACYJNY QZSS http://qzss.go.jp/en/ 67
SYSTEM NAWIGACYJNY QZSS 68
SYSTEM NAWIGACYJNY QZSS The Quasi-Zenith Satellite System (QZSS), system regionalny dla Japonii wykorzystujący minimum trzy satelity. Pierwszy satelita został wystrzelony 11 września 2010 roku. Nazwany Miczbiki, co po japońsku oznacza kroczyć. Typ orbity: wysoka, eliptyczna (HEO). Ogłoszenie operacyjności było planowane na 2013 r. System będzie składał się w sumie z 7 satelitów oraz 1200 naziemnych stacji referencyjnych. 69
SYSTEM NAWIGACYJNY QZSS Program QZSS japoński rząd zatwierdził w 2002 roku, a więc trzy lata po rozpoczęciu prac nad MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System). W porównaniu z innymi systemami nawigacyjnymi i wspomagającymi SBAS założenia tego systemu są dość nietypowe. Koncepcja Japońskiej Agencji Kosmicznej (JAXA) zakłada bowiem, że trzy satelity QZSS będą krążyły nie jak to jest zazwyczaj na orbicie geostacjonarnej, lecz na tzw. quasi-zenitalnej. Jej parametry zostały dobrane tak, by przynajmniej jeden aparat był nad Japonią stale widoczny w okolicach zenitu. To będzie przekładało się na lepszą dostępność sygnału z poprawkami. QZSS można uznać za hybrydę systemu GNSS i SBAS. Satelity będą bowiem nadawać kompatybilne z amerykańskim GPS sygnały L1 C/A, L1C, L2C oraz L5. Jego segment kosmiczny będzie się jednak składać tylko z trzech satelitów, a to uniemożliwia wyznaczanie pozycji tylko na podstawie jego wiadomości nawigacyjnych. Poza tym, podobnie jak rozwiązania SBAS, QZSS będzie również nadawać poprawki dla GPS. 70
SYSTEM NAWIGACYJNY QZSS System miał osiągnąć pełną operacyjność w 2013 roku. Ma on zwiększyć dokładność, dostępność oraz wiarygodność amerykańskiego GPS. JAXA zakłada, że dzięki sygnałom QZSS możliwe będzie zwiększenie precyzji pozycjonowania do 1,5 m (na poziomie ufności 95%). Przy wykorzystaniu poprawek emitowanych na kanale L1-SAIF średni błąd kwadratowy nie powinien przekroczyć 29 cm w poziomie i 39 cm w pionie. Istotną zaletą QZSS jest jego zasięg. Nie będzie on bowiem ograniczony jak MSAS wyłącznie do Japonii. Obejmie także Australię oraz wschodnią Azję. http://qzss.go.jp/en/ 71
LITERATURA K. Czarnecki, Geodezja współczesna w zarysie, Wiedza i Życie, Warszawa 2000. B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, E. Wasl, GNSS Global Navigation Satellite Systems GPS, GLONASS, Galileo and more, Springer, Wien - New York 2008. P. Zalewski, Alternatywne do GNSS metody obserwacji satelitarnych, http://cirm.am.szczecin.pl/download/gs%206.pdf [dostęp: 15.02.2017] P. Zalewski, Systemy satelitarne wykorzystywane w nawigacji, http://www.irm.am.szczecin.pl/images/instrukcje/gps/wyklady/systemy_satelitarne_wykorzys tywane_w_nawigacji.pdf [dostęp: 15.02.2017] G. Seeber, Satellite Geodesy, de Gruyter, Berlin - New York, 2003. https://pl.wikipedia.org/wiki/transit [dostęp: 15.02.2017] https://geoforum.pl/?menu=46813,46834,47125&link=gnss-systemy-nawigacyjne-przed-gpsem [dostęp: 15.02.2017] http://www.kt.agh.edu.pl/~brus/satelity/navi.html [dostęp: 16.02.2017] http://www.sdcm.ru/index_eng.html [dostęp: 16.02.2017] https://www.glonass-iac.ru/en/ [dostęp: 17.02.2017] http://egnos.org.pl/stanbiezacy_perfect.html [dostęp: 17.02.2017] http://www.technologiagps.org.pl/systemy/galileo.html [dostęp: 18.02.2017] http://www.technologiagps.org.pl/systemy/beidou.html [dostęp: 18.02.2017] http://www.esa.int/our_activities/navigation/galileo/ [dostęp: 18.02.2017] http://www.isro.gov.in/irnss-programme [dostęp: 18.02.2017] http://qzss.go.jp/en/ [dostęp: 18.02.2017] 72