Rozwój satelitarnych metod obserwacji w geodezji

Szkolenie nt. Wykorzystanie systemu wspomagania pomiarów satelitarnych i nawigacji ASG-EUPOS, Wrocław 7 października 2014 Rozwój satelitarnych metod obserwacji w geodezji dr inż. Jan Kapłon Instytut Geodezji i Geoinformatyki ul. Grunwaldzka 53, 50-357 Wrocław jan.kaplon@igig.up.wroc.pl

Plan prezentacji 1. Tło historyczne rozwoju geodezyjnych obserwacji satelitarnych, 2. Idea globalnego geodezyjnego systemu obserwacyjnego, 3. Rozwój globalnych systemów nawigacyjnych, 4. Rozwój systemów wspomagających, 5. Spojrzenie w przyszłość.

Tło historyczne rozwoju geodezyjnych obserwacji satelitarnych W roku 1957 ZSRR (Związek Socjalistycznych Republik Radzieckich) wystrzelił pierwszego sztucznego satelitę Ziemi (SSZ). Był to SPUTNIK-1. 4 października 1957 roku, z kosmodromu Bajkonur wystrzelono rakietę R-7 skonstruowaną przez Sergiusza Korolowa. Rozpędzona do 8 km/s wyniosła na orbitę satelitę o wadze 83.6 kg i średnicy 58 cm. Sputnik-1 okrążał Ziemię co 96 minut i 2 sekundy transmitując na dwóch częstotliwościach ciągły sygnał radiowy. Nim spalił się w atmosferze okrążył Ziemię 1400 razy. USA swojego pierwszego satelitę (14 kg i 15 cm) wystrzeliły 31 stycznia 1958 roku po wcześniejszej nieudanej próbie. Obydwa mocarstwa zawdzięczają sukces Wernerowi von Braunowi, twórcy niemieckich rakiet V-1 i V-2 z czasów II wojny światowej. Rozwój techniki rakietowej wymusza w latach 50-tych XX wieku powstanie globalnych systemów pozycjonowania, dla nawigacji okrętów wojennych oraz naprowadzania rakiet balistycznych wyposażonych w głowice atomowe.

Zasada wyznaczania pozycji w systemach nawigacyjnych Konstrukcja przestrzennego liniowego wcięcia wstecz, prowadzi do wyznaczenia współrzędnych punktu jeśli znana jest pozycja satelitów. Pomiar odległości od satelitów do odbiornika odbywa się poprzez pomiar czasu przejścia sygnału, zatem synchronizacja zegarów satelitów i odbiornika odgrywa dużą rolę w uzyskiwanych dokładnościach. Ponieważ sygnał przecina atmosferę ulega w niej zniekształceniu, stąd modelowanie atmosfery istotnie poprawia pozycjonowanie. 2 2 2 ( x xs) ( y ys) ( z zs) ( c t ) 2

Zasada wyznaczania pozycji w systemach geodezyjnych

Koncepcja globalnego geodezyjnego systemu obserwacyjnego Źródło: GGOS. http://www.iag-ggos.org/about_geodesy/ggos_layered_infrastructure.php [dostęp online: 3.10.2014]

VLBI VLBI (ang. Very Long Baseline Interferometry) Interferometria radiowa długich baz Zastosowania VLBI w Geodezji Służy do wyznaczania odległości baz o zasięgu międzykontynentalnym z dokładnością < 1 cm. Pomiary ruchów tektonicznych płyt ( ~ 0.1 cm/rok), Wyznaczanie długości doby ( ~ 0.1 ms), Pomiary parametrów pływów, Wyznaczanie poprawek do teorii nutacji i precesji.

SLR SLR (ang. Satellite Laser Ranging) Obserwacje laserowe satelitów Podstawową funkcją SLR/LLR jest dokładny pomiar odległości pomiędzy teleskopem z laserem a satelitami i w efekcie wyznaczenie orbity satelity. Pomiar odbywa się w ten sposób, że wysyłane są krótkie impulsy światła laserowego do luster znajdujących się na satelitach i mierzy się czas w którym wiązka laserowa odbije się od luster i powróci na ziemię.

DORIS DORIS (ang. Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) Obserwacje dopplerowskie satelitów, gdzie odbiornik jest na satelicie, a nadajniki na Ziemi. Zastosowania DORIS w Geodezji Służy do wyznaczania orbit satelitów, nie tylko nawigacyjnych, ale przede wszystkim satelitów LEO.

Orbity satelitów nawigacyjnych

Rozwój satelitarnych systemów pozycjonowania LEO (ang. Low Earth Orbiter) satelita niskiej orbity, MEO (ang. Medium Earth Orbiter) satelita średniej orbity, GEO satelita geostacjonarny, GSO satelita geosynchroniczny

William Guier i George Weiffenbach z APL (Applied Physics Laboratory, USA) zauważyli, że na podstawie śledzenia sygnałów SPUTNIKA-1 są w stanie określić jego orbitę. Frank McClure doszedł do wniosku, że jeśli orbita satelity będzie znana, to po określeniu częstotliwości dudnienia (N), będzie można wyznaczyć pozycję na powierzchni Ziemi. Dało to podstawy do utworzenia systemu TRANSIT. TRANSIT Pierwszy satelita: 1960, Liczba wystrzelonych satelitów: 37, Wysokość orbity: 1100 km, Liczba orbit: 5, Liczba satelitów na orbitach: 1-2, Dokładność pozycjonowania: 900 30 m, Operacyjność: Zakończona w 1996 roku. Czarnecki K. Geodezja współczesna w zarysie. Warszawa 1996

CYKLON / PARUS / SFERA / CYKADA System Cyklon (ros. Циклон), to pierwszy radziecki system nawigacyjny oparty na efekcie dopplera. Stan operacyjny osiągnął w roku 1973. Od roku 1974 wprowadzono nowe satelity Cyklon-B (lub Parus). Oprócz funkcji nawigacyjnych, pełniły one także funkcje komunikacyjne. Pierwszy satelita: 1967, Liczba wystrzelonych satelitów Cyklon-A: 31, Liczba wystrzelonych satelitów Cyklon-B / PARUS: 99, Wysokość orbity: 800 1000 km Inklinacja orbity: 82.9 Liczba orbit:?, Liczba satelitów na orbitach:?, Operacyjność: Zakończona po 1995 roku. Źródło: Encykopedia Astronautica. http://www.astronautix.com/craft/tsiklon.htm [dostęp online: 3.10.2014]

Konstelacja satelitów: wysokość orbity: 20 200 km; inklinacja orbity: 55º; okres obiegu: 11 h 58 m ; liczba płaszczyzn: 6; satelitów w płaszczyźnie: 4 (5-6); liczba satelitów: 24 (31). Charakterystyka sygnałów: NAVSTAR GPS NAVSTAR NAVigation System with Timing And Ranging, GPS Global Positioning System częstotliwość podstawowa: 10,23MHz; częstotliwości fal nośnych: L1: 154 x 10,23MHz = 1575,42MHz (kod C/A i P); L2: 120 x 10,23MHz = 1227,60MHz (kod P). Pozostałe informacje: system współrzędnych: WGS-84(G1150); system czasu: GPS (UTC + leap second); zarządca: DoD USA; Full Operational Capability: 27 kwietnia 1995 r.

Kalendarium GPS System NAVSTAR GPS jest w swoich założeniach zbliżony do wynalezionych w latach 40-tych XX wieku przez Brytyjczyków systemów radionawigacji morskiej LORAN i Decca Navigator. 1962 dr Ivan Getting proponuje rozpoczęcie badań nad nowym satelitarnym systemem pozycjonowania; 1964 USAF uruchamia program 621B, wykonawca: Aerospace Corp.; 1971/72 testy założeń systemu na poligonie White Sands Missile Range; 1972 płk Bradford Parkinson zostaje dyrektorem programu 621B; 1973 podporządkowanie programu US Navy Timation (od 1964r.) w ramach JPO, akceptacja budowy systemu przez Defense System Acquisition Review Council; 1978 wyniesienie pierwszego satelity GPS Block I, rozpoczęto testy na Yuma Proving Ground; 1989 pierwszy satelita Block II na orbicie; 1990/91 wykorzystanie GPS w czasie I wojny w Zatoce Perskiej; 1993 24 satelity na orbicie (Block I i Block II/IIA) Initial Operational Capability (IOC); 1994 rusza sieć IGS (International GNSS Service); 1995 Full Operational Capability (FOC); 1997 pierwszy satelita Block II-R na orbicie; 2000 wyłączono S/A (Selective Availability).

Kalendarium GPS c.d. Satelity operacyjne drugiej generacji Block II/IIA 1983 kontrakt na budowę 28. satelitów Block II/IIA (Rockwell International) - 48 mln $ za egzemplarz; full scale operational satellites; 1989-1997 umieszczenie satelitów na orbicie; 2 atomowe zegary rubidowe i 2 cezowe; częstotliwości L1 i L2; przewidywany czas działania: 7,5 roku (12-23 lata); wprowadzenie: anti-spoofing (AS); selective availability (S/A); możliwość 14-dniowej (II) lub 180-dniowej (IIA) pracy autonomicznej; 1993 osiągnięcie pełniej konstelacji 24. aktywnych satelitów; 2014 wciąż 6 aktywnych satelitów IIA

Kalendarium GPS c.d. Satelity operacyjne trzeciej generacji Block IIR 1989 kontrakt na budowę 21. satelitów Block IIR (Lockheed Martin); 1997-2004 wyniesienie na orbity 12. satelitów; przewidywany czas działania: 10 lat; częstotliwości L1 i L2; moc baterii słonecznych 1136 W; większa moc nadawanych sygnałów; 2 atomowe zegary rubidowe i 1 cezowy (nowa generacja, hot backup); programowalny procesor; tryb AUTONAV (180 dni), Crosslink, 2014 12 aktywnych satelitów IIR

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

Kalendarium GPS c.d. SVN49 - GPS Block II-RM kwiecień 2007 kontrakt 6 mln $ na implementację nowego, cywilnego sygnału L5 (115 x 10,23MHz = 1176,45MHz); 29.08.2009 upływa termin rezerwacji pasma L5 w ITU; L5 należy do ARNS (podobnie jak L1); 29.03.2009 wyniesienie SVN49 na orbitę (planowano 06.2008); 10.04.2009 transmisja sygnału L5; 1.05.2009 wykryto przebicie sygnałów L1 i L2 na moduł L5; efekt: 150 m multipath i brak rozwiązania problemu; 27.09.2011 SVN49 posiada status unhealthy wciąż czekamy na włączenie SVN49 do służby.

Kalendarium GPS c.d. Satelity operacyjne czwartej generacji Block IIF 1996 kontrakt dla Rockwell Int. (Boening) na 6+27 satelitów; 2000 nowe warunki kontraktu 12 satelitów IIF (średnia cena 121 mln $); 2001/2005 planowane wyniesienie pierwszego satelity; problemy techniczne i opóźnienia, pierwszy IIF skompletowany w 2007; 2009 B. Parkinson wzywa do porzucenia programu IIF; 7 udanych startów: pierwszy 28.05.2010; nowości: cyfrowe zegary atomowe (2 cezowe i 2 rubidowe); sygnał L5 (z CNAV); brak modułu S/A; brak silnika apogeum; moc baterii słonecznych 2440 W; żywotność: 12 lat; 2021 FOC L5.

Kalendarium GPS c.d. Satelity operacyjne nowej (V) generacji Block III 2008 kontrakt dla Lockheed Martin na 8 satelitów Block IIIA (3,5 mld $); 2013 budowa i testy pierwszego satelity Block III 2015 planowany pierwszy start; nowe możliwości: większa moc sygnałów; nowy sygnał L1C (nowa struktura pozwala na śledzenie słabego sygnału); NAVWAR (możliwość lokalnego wyłączenia systemu); wzajemna wymiana informacji (crosslink); real-time crosslink (IIIB); spotbeams (IIIC); informacja o wiarygodności sygnałów (IIIC); Distress Alerting Satellite System (DASS); żywotność: 15 lat; planowane kolejne zamówienia na 8 satelitów IIIB i 16 IIIC (faworytem Lockheed); 2020 (?) IOC L1C; 2026 FOC L1C.

2005 włączenie stacji NGA do OCS Kalendarium GPS c.d. Modernizacja segmentu naziemnego (OCS) Średni błąd położenia satelity obliczonego na podstawie depeszy nawigacyjnej

GLONASS Konstelacja satelitów: wysokość orbity: 19 100 km; nachylenie orbity: 64,8º; okres obiegu: 11 h 15 m ; liczba płaszczyzn: 3; satelitów w płaszczyźnie: 8; liczba satelitów: 24. Charakterystyka sygnałów: częstotliwości fal nośnych: L1: 1593,00-1612,00MHz, f=0,5625mhz, kod C/A i P (FDMA); L2: 1237,00-1254,06MHz, f=0,4375mhz, kod C/A(od 2003r.) i P (FDMA). Pozostałe informacje: system współrzędnych: PZ-90.02; system czasu: UTC(SU); zarządca: ROSKOSMOS; ogłoszenie pełnej operacyjności: 7 marca 1995.

Kalendarium GLONASS 1970 rozpoczęto studia nad nowym systemem pozycjonowania satelitarnego; 1976 rząd ZSRR uruchamia program budowy GLONASS, start pierwszego testowego satelity; 1982 umieszczenie na orbicie pierwszego satelity GLONASS; 1982-1991 wyniesiono 43 satelity, żywotność ok. 3 lat; 1991 upadek ZSRR, 12 aktywnych satelitów na orbicie; 1993 IOC z 12 satelitami; 1995 24 satelity GLONASS na orbicie ogłoszenie FOC; 1995-2001 kryzys ekonomiczny w Rosji, brak środków na podtrzymanie konstelacji; 1999 dekret prezydenta FR GLONASS ma służyć zarówno celom cywilnym jak i wojskowym; 2001 tylko 6 operacyjnych satelitów, rząd FR przyjmuje program rozwoju GLONASS na lata 2002-2011 (Prezydent Putin uczynił rozwój systemu priorytetowym)

Dotychczasowa Modernizacja GLONASS Kalendarium GLONASS c.d. W latach 1982-2003 umieszczano na orbicie satelity I. generacji GLONASS: żywotność 3 lata (4,5); sygnały L1 - C/A i P; sygnały L2 P; zegary: 5x10-13 s. Od 2003 zaczęto umieszczać na orbicie satelity GLONASS-M: żywotność 7 lat; sygnały L1 - C/A i P; sygnały L2 - C/A i P; zegary: 1x10-13 s; ISL (Inter Satellite Link); lepsza stabilizacja. 2005 przyjęto uaktualniony program rozwoju GLONASS 24 aktywne satelity w 2010 r. 2007 zmiana układu współrzędnych z PZ-90 na PZ-90.02 (zgodny z ITRF2000).

Kalendarium GLONASS c.d. 22 23/24 2010 2011

Kalendarium GLONASS c.d. Liczba stacji śledzących sygnały GLONASS w sieci IGS

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

Modernizacja GLONASS c.d. GLONASS-K1: żywotność 10 lat; sygnały L1 - C/A i P (FDMA); sygnały L2 C/A i P (FDMA); nowy sygnał L3(L5)-1202,025MHz, kod C/A (CDMA); zegary: 5x10 14 s; niehermetyzowany korpus; grudzień 2010 - pierwszy start (nieudany); luty 2011 pierwszy GLONASS-K1 na orbicie; 2013 planowany GLONASS K-2: żywotność 10 lat; sygnały L1 - C/A i P (FDMA); sygnały L2 C/A i P (FDMA); nowe sygnały L1, L2, L3(L5), kod C/A i P (CDMA); zegary: 1x10 14 s. Szacuje się, że program rozwoju GLONASS w latach 2002-2011 kosztował 4,7 mld $. Na lata 2013-2020 przewidziano dalsze 10,8 mld $

Sygnały GLONASS Nowe sygnały GLONASS

BeiDou Wielka Chochla Konstelacja satelitów: wysokość orbity: 21 500 km; nachylenie orbity: 55º; okres obiegu:? liczba płaszczyzn: 3; satelitów w płaszczyźnie: 9; liczba satelitów: 27 MEO, 5 GEO, 3 IGSO. Charakterystyka sygnałów: częstotliwość podstawowa: 10,23MHz; częstotliwości fal nośnych (CDMA): B1/E1: 1561,098MHz/1575,420MHz; B2/E5b: 1207,140MHz /1191,795MHz; B3/E6: 1268,520MHz. Pozostałe informacje: system współrzędnych: China Geodetic System (CGS); system czasu: UTC(Cn) (<100ns); zarządca: ChRL; Full Operational Capability: 2020.

Kalendarium BeiDou 2000-2003 3 satelity testowe GEO (Beidou-1); 04.2007 umieszczenie pierwszego satelity na orbicie MEO (COMPASS-M1); 04.2009 pierwszy GEO (COMPAS G1); 08.2009 Chiny ogłaszają, że COMPASS będzie transmitował wspólny sygnał L1/E1 MBOC, przedstawiają docelowy plan częstotliwości; 08.2010 pierwszy IGSO; 27.12.2012 publikacja Interface Control Document (ICD): BeiDou Navigation Satellite System - BDS 2012 pokrycie regionalne (Chiny); 4 MEO, 5 GEO, 5 IGSO na orbicie (więcej niż Galileo!); 2014 3 faza budowy systemu pokrycie globalne; 2020 FOC (27 MEO, 5 GEO, 3 IGSO).

sygnał cywilny (OS) sygnał kodowany (PRS) Sygnały BeiDou

GALILEO Konstelacja satelitów: wysokość orbity: 23 600 km; nachylenie orbity: 56º; okres obiegu: 14 h 00 m ; liczba płaszczyzn: 3; satelitów w płaszczyźnie: 9+1; liczba satelitów: 27+3. Charakterystyka sygnałów: częstotliwość podstawowa: 10,23MHz; częstotliwości fal nośnych: E1: 1575,42MHz; E5a/E5b: 1191,795MHz; E6: 1278,75MHz. Pozostałe informacje: system współrzędnych: GTRS (±3cm do ITRS); system czasu: GST (Galileo System Time) (UTC+15s); zarządca: UE; Full Operational Capability: 2008/2012/2016/2018.

Kalendarium GALILEO 1999 prace koncepcyjne nad europejskim systemem (Niemcy, Francja, Wielka Brytania, Włochy); 05.2003 umowa UE i ESA prace przygotowawcze, 1,1 mld do 2005, FOC w 2010, 2/3 kosztów sektor prywatny (formuła PPP); 06.2004 umowa UE i USA o interoperacyjności Galileo i GPS; 07.2004 powołanie GSA (Galileo Supervisory Authority); 12.2005 Giove-A (Galileo In-Orbit Validation Element) na orbicie (06.2006 termin rezerwacji częstotliwości w ITU); 06.2007 załamanie się koncepcji PPP; badanie opinii publicznej (25 tys.) 80% za budową Galileo, 63% za finansowaniem ze środków publicznych; rezolucja Parlamentu Europejskiego o woli budowy Galileo ze środków UE; 07.2007 uzgodniono wspólny sygnał L1/E1 (MBOC dla Galileo i GPS-III); 09.2007 kontrakt na przygotowanie fazy IOV (In-Orbit Validation) ESNI; 04.2008 Giove-B na orbicie (pierwszy maser wodorowy w kosmosie); PE zatwierdził 3,4 mld na budowę systemu (2008-2014, KE+ESA), dotychczas (2012) wydano 2,6 mld ; 06.2009 kontrakty na 4 satelity In-Orbit Validation (IOV) (Astrium/OHB oraz Ariane Space).

Kalendarium GALILEO c.d. 10.2009 raport KE: UE przeznacza 15 mln na rozwój nowych aplikacji Galileo (USA 500 mln $); 11.2009 KE przyznaje, że brakuje 1,5-1,7 mld na budowę pełnego systemu; 01.2010 3 kontrakty na budowę fazy IOC: W tym 566 mln dla OHB System AG -budowa pierwszych 14 satelitów operacyjnych; 09.2010 KE publikuje "Galileo Open Service Signal-In-Space Interface Control Document (OS SIS ICD); 11.2010 kontrakt na budowę segmentu kontrolnego FOC - Ground Control Segment - GCS (dla SpaceOpal = DLR+Telespazio); 12.2010 Praga wybrana na siedzibę GSA; 20.10.2011 start 2 pierwszych satelitów IOV z Kourou; 11.07.2012 kontrakt dla OHB na kolejne 8 satelitów fazy operacyjnej; 12.10.2012 start 2 kolejnych satelitów IOV; 02.2013 przyznano 6,3 mld na budowę pełnego systemu 2014-2020; 12.03.2013 pierwsze wyznaczenie pozycji na podstawie sygnałów Galileo; 03.2014 (?) 16 satelitów na orbicie (4 IOV + 12 FOC) ogłoszenie IOC; 22.08.2014 nieudana próba wyniesienia 2 satelitów (FOC-FM1 i FOC-FM-2); 12.2014 planowany start 2 kolejnych satelitów FOC; 2018 (?) FOC (27/30 satelitów).

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

Systemy SBAS SBAS (ang. Satellite Based Augmentation Systems) to satelitarne systemy wspomagające pozycjonowanie z wykorzystaniem systemów GNSS. Systemy te dostarczają dodatkowych obserwacji na częstotliwościach satelitów GNSS, lub przesyłają poprawki DGPS, pozwalające na precyzyjniejszą nawigację. Z ich wyłącznym wykorzystaniem nie da się wyznaczyć pozycji. Do systemów tych zaliczamy: WAAS (Wide Area Augmentation System), dla terenu USA; EGNOS (European Geostationary Overlay Service), dla Europy; GAGAN (GPS-Aided Geosynchronous Augmented Navigation System), dla obszaru Indii; QZSS (Quasi Zenith Satellite System), dla obszaru Japonii. Dodatkowo w Indiach rozwijany jest regionalny system nawigacyjny IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) składający się z 7 satelitów geostacjonarnych i geosynchronicznych, umożliwiający pozycjonowanie bez odbioru sygnałów z satelitów innych systemow GNSS. Jego ukończenie przewidziane jest na 2015 rok.

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

Spojrzenie w przyszłość Rosnąca liczba satelitów i sygnałów pozwoli na szybsze i wiarygodniejsze wyznaczanie pozycji, szczególnie w trudnych warunkach urban canyons ; Rosnąca liczba satelitów i sygnałów umożliwia lepsze modelowanie atmosfery, co jeszcze bardziej poprawi jakość pozycjonowania, ale także prognozy pogody; Dostępność poprawek zegarów i orbit wszystkich satelitów w czasie rzeczywistym (na razie tylko GPS+GLONASS) oraz udoskonalenie poprawek atmosferycznych dla sygnału GNSS umożliwi w przyszłości wykorzystanie pozycjonowania PPP (Precise Point Positioning) dla celów geodezyjnych; Dziękuję za uwagę! jan.kaplon@igig.up.wroc.pl