Foresight Przyszłość technik satelitarnych w Polsce to realizowany przez Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej projekt, którego celem jest ocena perspektyw i korzyści z wykorzystania technik satelitarnych i rozwoju technologii kosmicznych w Polsce. W ramach projektu wypracowana zostanie wizja rozwoju sektora technik satelitarnych i technologii kosmicznych w Polsce. Rekomendacje zebrane w trakcie jego trwania określą priorytetowe obszary rozwoju, których wsparcie ze środków publicznych może przynieść największe korzyści gospodarcze i społeczne.
Autorzy: Jakub Ryzenko Anna Badurska Anna Kobierzycka Opracowanie graficzne: Juliusz Łabęcki Za szczególne zaangażowanie i wkład w opracowanie raportu autorzy dziękują: Prof. Andrzejowi Ciołkoszowi, prof. Zbigniewowi Kłosowi, dr inż. Krzysztofowi Kurkowi, prof. Józefowi Modelskiemu, prof. Stanisławowi Oszczakowi, dr Mirosławowi Ratajowi, prof. Januszowi B. Zielińskiemu Podziękowania za czynny udział w I fazie Projektu Foresight autorzy składają: Krzysztofowi Banaszkowi, Leszkowi Bujakowi, Bartoszowi Buszke, prof. Andrzejowi Dąbrowskiemu, Borysowi Dąbrowskiemu, prof. Katarzynie Dąbrowskiej Zielińskiej, dr Izabeli Dyras, prof. Markowi Granicznemu, dr hab. Markowi Grzegorzewskiemu, dr Karolowi Jakubowiczowi, dr hab. Andrzejowi Kijowskiemu, Andrzejowi Kotarskiemu, prof. Adamowi Krężelowi, Arkadiuszowi Kurkowi, Bartoszowi Malinowskiemu, prof. Stanisławowi Mularzowi, dr Markowi Ostrowskiemu, dr Jerzemu Sobstelowi, prof. Cezaremu Spechtowi, Romanowi Wawrzaszkowi, prof. Piotrowi Wolańskiemu, prof. Ryszardowi Zielińskiemu Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 3
Spis treści: 1. Zasady działania systemów nawigacji satelitarnej 2. Struktura systemów nawigacji satelitarnej 3. Kierunki ewolucji 4. Globalne systemy nawigacji satelitarnej i ich ewolucja 4.1. GPS 4.2. Glonass 4.3. Galileo 5. Systemy wspomagające 5.1. DGPS 5.2. Systemy satelitarne SBAS (Satellite Based Augmentation System) 5.2.1. EGNOS 5.2.2. WAAS 5.2.3. MSAS Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 4
Obecnie trudno wyobrazić sobie funkcjonowanie zarówno całej gospodarki światowej, jak i współczesnego człowieka, bez znajomości dokładnego czasu. Zegar stał się niezbędnym elementem naszej rzeczywistości, często wręcz warunkującym sprawny przebieg codziennego życia. Za kilkanaście lat podobny status mogą osiągnąć odbiorniki nawigacyjne, umożliwiające precyzyjne wyznaczanie pozycji obiektów i osób. Już od najdawniejszych czasów człowiek zadawał sobie pytanie gdzie jestem?, jak daleko jest do celu?. Chcąc znaleźć odpowiedź na przestrzeni wieków wymyślono wiele metod służących do wyznaczania położenia. Jednakże dopiero na przełomie lat 60 i 70 ubiegłego stulecia myśl techniczna doprowadziła do stworzenia satelitarnego systemu wyznaczania pozycji, który jest - jak dotąd - najpełniejszym rozwiązaniem problemu lokalizacji oraz orientacji przestrzennej obiektów. Dokładna znajomość położenia interesujących podmiotów w powiązaniu z informacjami o otoczeniu oraz bardzo precyzyjne pomiary czasu stają się niezbędne nie tylko we wszystkich dziedzinach transportu i lecz także w wielu innych dziedzinach życia w bezpieczeństwie i zarządzaniu kryzysowym, ratownictwie, sektorze energetycznym, bankowości i ubezpieczeniach, rybołówstwie, rolnictwie, ochronie środowiska oraz szeroko pojętej nawigacji osobistej. odległości. Znana odległość od dwóch satelitów lokuje odbiornik na okręgu będącym przecięciem dwu sfer. Kiedy odbiornik zmierzy odległości od trzech satelitów, istnieją już tylko dwa punkty, w których może się on znajdować. Jeden z nich można wykluczyć jako znajdujący się zbyt wysoko lub poruszający się zbyt szybko. W ten sposób wyznaczona zostaje pozycja odbiornika. Lokalizacja obiektów na powierzchni Ziemi polega więc na określeniu czasu potrzebnego fali elektromagnetycznej na przebycie drogi między satelitą, a użytkownikiem. Dlatego głównym czynnikiem determinującym dokładność wykonanych pomiarów jest zegar. Standardowe satelity nawigacyjne posiadają cztery zegary atomowe, którymi synchronizują wysyłany sygnał. Jedyne co pozostaje zmierzyć odbiornikowi to opóźnienie sygnału odebranego z poszczególnych satelitów. Zegary na satelitach wymagają jednak regularnej synchronizacji do bardziej stabilnych, naziemnych, referencyjnych sieci stacji zegarowych, charakteryzujących się zdecydowanie lepszą długotrwałą stabilnością. 1. Zasady działania systemów nawigacji satelitarnej pozwala na określanie położenia punktów i poruszających się obiektów wraz z parametrami ich ruchu w dowolnym miejscu na powierzchni Ziemi, niezależnie od pogody, pory dnia i nocy. Opiera się ona na pomiarze drogi przebytej przez sygnał od satelity poruszającego się po ściśle zdefiniowanej orbicie do anteny odbiornika. Znana odległość od satelity lokuje odbiornik na sferze o promieniu równym zmierzonej Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 5
2. Struktura systemów nawigacji satelitarnej Zarówno już istniejące globalne systemy nawigacji satelitarnej (GPS, częściowo Glonass), jak i dopiero znajdujące się w fazie budowy (Galileo) czy wręcz planowania (Beidou/Compass) składają się z trzech podstawowych segmentów: Kosmicznego - konstelacji satelitów na określonych orbitach, transmitujących 1 lub kilka sygnałów nawigacyjnych obejmujących swoim zasięgiem całą kulę ziemską (za optymalną uznano liczbę co najmniej 24 satelitów); Naziemnego jest to sieć stacji naziemnych zapewniających stałą kontrolę i łączność z satelitami; Użytkownika obejmującego wszystkie odbiorniki satelitarne, których właściciele (użytkownicy systemu) mogą wyznaczyć swoją pozycję na podstawie pomiaru odległości do przynajmniej 3 satelitów. Warto podkreślić, że właściwa infrastruktura nawigacji satelitarnej (segment kosmiczny i naziemny) jest z natury bierna, tj. nie jest świadoma lokalizacji użytkownika. Ogranicza się jedynie do transmisji sygnałów, które są przetwarzane przez odbiorniki w celu ustalenia ich położenia. Wszelkie inne funkcje, składające się na potoczne pojmowanie nawigacji satelitarnej, takie jak określanie pozycji z maksymalną dokładnością na mapie cyfrowej lub transmisja informacji o położeniu w innych celach, realizowane są w urządzeniu użytkownika. Tak więc o możliwościach zastosowania nawigacji satelitarnej decyduje nie tylko dokładność i dostępność sygnału umożliwiającego lokalizację odbiornika, lecz także, a może nawet przede wszystkim, jakość i dostępność map cyfrowych i systemów informacji geoprzestrzennej, w oparciu o które powstają aplikacje GNSS. Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 6
3. Kierunki ewolucji Podobieństwo struktury systemów nawigacji satelitarnej sprawia, że można wyodrębnić pewne wspólne trendy i kierunki, w których przebiegać będzie ich modernizacja na w ciągu następnych kilkunastu lat. Zmiany techniczne w segmentach kosmicznych i naziemnych będą mieć na celu: Poprawę stabilności zegarów na satelitach Zwiększenie mocy nadawanych sygnałów Przedłużenie czasu życia satelity Nadawanie nowych sygnałów na dodatkowych częstotliwościach Zwiększenie dokładności pomiarów Włączenie transmisji poprawek jonosferycznych w podstawowy sygnał nawigacyjny Zwiększenie odporności sygnału na zakłócenia (m.in. dodatkowe kodowanie) Włączenie informacji o wiarygodności w podstawowy sygnał nawigacyjny Zapewnienie komunikacji pomiędzy satelitami w obrębie danego systemu, co zwiększy dokładność skali czasu (planowane w GPS III i w nowej generacji Glonass-K około roku 2020) Projekt Foresight W perspektywie 2020-2030 roku prawdopodobne będzie przejście na wyższe częstotliwości radiowe. Pojawiła się również koncepcja zmiany systemów nawigacji satelitarnej opartych na sygnałach radiowych na sygnały optyczne, jednakże jak dotychczas nie jest ona rozwijana, głównie ze względu na wysokie koszty wymiany całej infrastruktury. Dla przeciętnego użytkownika nawigacji satelitarnej, zarówno instytucjonalnego, jak i indywidualnego, przełomowy moment nastąpi około roku 2012 1, kiedy w pełni operacyjne będą - obok GPS systemy Glonass i Galileo, a na rynku w masowej produkcji znajdą się odbiorniki korzystające z 2 lub nawet 3 systemów równocześnie 2. Dwukrotne zwiększenie liczby satelitów nawigacyjnych na orbicie Ziemi znacznie poprawi uzyskiwane parametry pomiaru obecnie pozioma dokładność GPS dla obiektów w ruchu wynosi około 10 20 m, a pionowa 8 15m, natomiast korzystanie z drugiego systemu obniży te wartości o połowę (dla obiektów nieruchomych nawet do 0.5 1 m poziomo i 1,5 2 m w pionie). GPS, Galileo i Glonass zapewnią niemal 100% dostępność sygnału na całej kuli ziemskiej, eliminując aktualne kłopoty z korzystaniem z GPS w pobliżu równika. Istnienie kilku systemów znacząco poprawi, choć niestety nie zlikwiduje, problem dostępności i dokładności sygnału w tzw. kanionach miejskich, w których z powodu wysokich przeszkód mniej jest widocznych satelitów i w konsekwencji gorsze parametry sygnału (przyczyna to nie tylko niekorzystna geometria, lecz także odbicia sygnału od przeszkód w otoczeniu) 3. 1 Wraz z uruchomieniem 2 nowych systemów nawigacji satelitarnej na rynku GNSS nastąpi przełom jakościowy. Zmiany w następnej dekadzie, choć istotne, będą miały raczej charakter ilościowy i przebiegać będą stopniowo, zgodnie z już możliwymi do określenia trendami. 2 Porozumienie pomiędzy USA i UE z czerwca 2004r. przewiduje skonstruowanie dwusystemowych odbiorników GPS- Galileo. Jak dotychczas jego realizacja przebiega bez większych problemów (poza opóźnieniami w budowie Galileo). Również Rosja deklaruje wolę integracji sygnału Glonass z innymi (podpisane lub negocjowane są stosowne umowy), lecz występują tu pewne przeszkody. 3 Rozwiązaniem tego problemu jest transmisja sygnału także z nadajników naziemnych, tzw. pseudolitów; opłacalna przy dużym natężeniu ruchu i/lub dużej liczbie użytkowników. Z tego powodu około 2012r. raczej nie będzie to sposób powszechnie stosowany, lecz znaczny wzrost liczby użytkowników GNSS prawdopodobnie zmieni sytuację 8 10 lat później. Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 7
Kolejnym istotnym problemem jest przekazywanie użytkownikowi informacji o wiarygodności otrzymywanego przezeń sygnału nawigacyjnego, a w konsekwencji wyznaczonej pozycji. Aktualnie funkcję tę spełniają satelitarne systemy wspomagania (EGNOS, WAAS, MSAS), jednakże około roku 2020 informacje takie będą zawarte w podstawowych sygnałach GNSS (L5 w GPS, L3 w Glonass, serwisy komercyjne Galileo). Co więcej, w okresie około 2012 2016 będzie trwać proces certyfikowania sygnałów GNSS dla zastosowań w nawigacji morskiej i lotnictwie. Zarówno Międzynarodowa Organizacja Morska (IMO), jak i Międzynarodowa Organizacja Lotnictwa Cywilnego (ICAO) stawiają przed systemami nawigacyjnymi szereg wymagań dotyczących ich dokładności, wiarygodności, dostępności i pewności działania aplikacje w tych dziedzinach wiążą się bowiem z bezpieczeństwem ludzkiego życia. W tabeli poniżej przedstawiono minimalne wymagania IMO; parametry oczekiwane przez ICAO są jeszcze ostrzejsze. Z tego też powodu proces weryfikowania każdego systemu nawigacyjnego jest długi i może trwać nawet 2 3 lata. Przewiduje się, że około 2020 roku systemy GNSS będą podstawą nawigacji w żegludze i lotnictwie, co umożliwi lepsze zarządzanie ruchem i jego automatyzację, a zarazem spowoduję redukcję naziemnych systemów nawigacyjnych i ich infrastruktury 4. Minimalne wymagania nawigacyjne w funkcji faz żeglugi IMO Resolution A.915(22), 29 listopada 2001 Poziom parametrów systemu Poziom parametrów systemu Faza nawigacji morskiej Dokładność absolutna Błąd horyzontalny [m] Limit dla alarmu [m] Wiarygodność Czas do alarmu [s] Ryzyko wiarygodności [ 3 godz.] Dostępność [%/30 dni] Ciągłość [%/3 godz.] Strefa działania Oceaniczna 10 25 10 10-5 99.8 99.97 Globalna Przybrzeżna 10 25 10 10-5 99.8 99.97 Globalna Podejście do portu / Akweny ograniczone 10 25 10 10-5 99.8 99.97 Regionalna Port 1 25 10 10-5 99.8 99.97 Lokalna Wody śródlądowe 10 25 10 10-5 99.8 99.97 Regionalna 4 Na małych lotniskach lokalne systemy nawigacyjne mogą zupełnie zaniknąć, lecz na dużych, o intensywnym ruchu prawdopodobnie pozostaną ze względów bezpieczeństwa. Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 8
Proces certyfikowania nie dotyczy jedynie dokładności wyznaczania pozycji, lecz także skali czasu. Systemy GNSS umożliwiają łatwe i dokładne przesyłanie sygnałów Uniwersalnego Czasu Koordynowanego (UTC). Podają one czas i częstotliwość zgodnie z definicją sekundy przyjętą w Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI), umożliwiając synchronizację w skali ogólnoświatowej. Większość z nas nie zdaje sobie sprawy, w jak wielu dziedzinach znajdą zastosowanie certyfikowane (a więc wiarygodne) i precyzyjne sygnały czasu i częstotliwości, a są to między innymi: datowanie operacji bankowych i transakcji handlowych, telekomunikacja, sieci dystrybucji energii elektrycznej, emisja radiowa i telewizyjna, synchronizacja komputerów, badania w przestrzeni kosmicznej, datowanie pomiarów w automatycznych przyrządach pomiarowych (sondach, pływomierzach, sejsmometrach, bojach itd.) i inne. Stały, powszechny dostęp do sygnałów nawigacyjnych umożliwiających określenie pozycji obiektu z dokładnością do kilku metrów z wykorzystaniem tylko darmowych serwisów GPS, Glonass i Galileo (usługi o podwyższonej dokładności będą płatne) przyczyni się do ogromnego wzrostu liczby aplikacji GNSS w wielu sektorach transporcie i komunikacji, energetyce, bankowości i ubezpieczeniach, geodezji, rolnictwie, badaniach naukowych, turystyce i innych. Produkowane odbiorniki będą miały coraz mniejsze rozmiary, a zarazem coraz lepsze zdolności do odbioru i przetwarzania nawet gorszej jakości lub zakłóconego sygnału. Co więcej, odbiorniki GNSS będą znajdować się we wszelkiego rodzaju urządzeniach elektronicznych codziennego użytku, takich jak telefony komputerowe, palmtopy, aparaty fotograficzne, komputery przenośne czy zegarki; zwiększy się także liczba urządzeń montowanych fabrycznie w samochodach czy na jachtach. Szczególne znaczenie ma obserwowana już dziś integracja odbiorników nawigacji satelitarnej z telefonami komórkowymi oraz innymi środkami komunikacji, dzięki temu usługi lokalizacyjne oraz wspieranie mobilności stanowią największy rynek masowy dla nawigacji satelitarnej. Perspektywa dostarczania użytkownikom danych dostosowanych do ich osobistych potrzeb otwiera zupełnie nowe możliwości dla operatorów i usługodawców z branży telefonii komórkowej: klienci mogą uzyskać określone informacje związane ze swoim położeniem, takie jak adres najbliższego szpitala, najlepsza droga do stacji benzynowej czy lokalizacja najbliższej restauracji. Oczywiście czynnikiem warunkującym rozwój tego rynku będzie także dostęp do szczegółowych map cyfrowych, powiązanych z systemami informacji geoprzestrzennej. Dokładność pozioma w metrach, odbiornik jednoczęstotliwościowy Źródło: GJU Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 9
Prognozy rynkowe kilka liczb Globalny roczny obrót w sektorze produktów i usług nawigacji satelitarnej Źródło: GJU Rozwój technologii nawigacji satelitarnej ma wpływ na wszystkie sektory nowoczesnych gospodarek. Rynek produktów i usług rośnie w tempie 25 % rocznie, w roku 2005 przychody firm wyniosły 21,8 mld USD.. Do 2020 r. w użyciu powinno być około 3 miliardów odbiorników nawigacji satelitarnej, a wartość rynku produktów i usług sięgnie 275 miliardów euro, zapewniając 100 000 miejsc pracy. Sama wartość usług opartych na nawigacji satelitarnej w roku 2020 może wynieść 178 mld euro. Jak już wspomniano, szczególnie obiecujący rynek stanowi telefonia komórkowa, mająca ponad 2 miliardy abonentów. Co roku sprzedawane jest pół miliarda urządzeń, a w perspektywie do 2020 r. będzie to miliard urządzeń rocznie, co umożliwi szybką penetrację rynku przez usługi opierające się na pozycjonowaniu satelitarnym. W przypadku urządzeń do nawigacji samochodowej prognozuje się sprzedaż 50 milionów sztuk do 2020 r. Technologia satelitarna stanowi oczywisty wybór w przypadku żeglugi morskiej i śródlądowej. Potwierdza to zarówno obecna wielkość sprzedaży odbiorników do zastosowania w transporcie morskim (ponad 1 mld euro), jak i wprowadzanie odpowiednich aktów prawnych. To samo odnosi się do lotnictwa, gdzie potrzebny jest niezawodny środek, który zwiększy przepustowość systemu umożliwiając przewożenie milionów obywateli. Te obszary zastosowań GNSS omówione są bardziej szczegółowo w dalszej części opracowania. 5 Dane statystyczne na podstawie Zielonej Księgi w sprawie zastosowań nawigacji satelitarnej, opublikowanej przez Komisję Europejską 8 grudnia 2006r. 6 Warto wspomnieć, że lokalizacja użytkowników za pomocą tylko sygnału telefonu komórkowego mogłaby być uzupełnieniem, a nawet alternatywą dla systemów nawigacji satelitarnej. Wprawdzie dokładność takich pomiarów zależy od gęstości sieci nadajników GSM w danym rejonie i jak dotychczas mierzona jest raczej w kilometrach niż w metrach, jednakże przy pewnych inwestycjach w nowe rozwiązania technologiczne i poprawę parametrów samego sygnału GSM można by osiągnąć dokładności porównywalne z GNSS. Niewątpliwą zaletą takiego systemy byłaby możliwość tzw. indoor navigation, czyli nawigacji wewnątrz budynków, w metrze czy w tunelach tam, gdzie nie są widoczne satelity, a gdzie dociera sygnał GSM. Być może w dalszej perspektywie podjęte będą działania zmierzające w tym kierunku. Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 10
Dziś (2006) Jutro (2012) Pojutrze (2020) D o s t ę p n e systemy: Nawigacji GPS, częściowo Glonass EGNOS, WAAS, MSAS GPS, Glonass, Galileo EGNOS, WAAS, MSAS, QZSS, GAGAN GPS, Glonass, Galileo EGNOS zintegrowany z Galileo, WAAS, MSAS, QZSS, GAGAN, być może Beidou i/lub Compass Odbiorniki Jednosystemowe Jedno- lub dwusystemowe Dwu- lub trójsystemowe Usługi i zastosowania ( w y b r a n e dziedziny) Transport lądowy monitorowanie pojazdów, zarządzanie flotą w firmach logistycznych i transportowych, początki systemów inteligentnego transportu (gł. w metropoliach), testy systemów pobierania opłat drogowych, testy systemów sterowania ruchem w kolejnictwie. Lotnictwo systemy satelitarne powszechnie stosowane jako wspomagające nawigację, nie spełniają norm ICAO (Światowej Organizacji Lotnictwa Cywilnego) dla systemów głównych, start, a zwłaszcza lądowanie przy wykorzystaniu systemów lokalnych. Nawigacja morska systemy satelitarne są coraz powszechniej wykorzystywane, ale nie spełniają norm IMO (Światowej Organizacji Morskiej); konieczność stosowania systemów wspomagających Bezpieczeństwo i zarządzanie kryzysowe coraz powszechniejsze stosowanie odbiorników GPS, integrowanie łączności i nawigacji satelitarnej, dostęp do baz danych GIS. Odbiorcy indywidualni zamożni i średniozamożni, odbiorniki montowane w niektórych samochodach wyższej klasy, droższych palmtopach i telefonach komórkowych dodatkowe koszty, aplikacje oparte na systemach informacji geoprzestrzennej. Inne dziedziny badania naukowe, geodezja, sektor energetyczny, początki stosowania nawigacji satelitarnej w systemach monitorowania i ochrony środowiska, rolnictwie (np. kontrola systemu IACS w UE), ubezpieczeniach, bankowości (precyzyjne pomiary czasu). Transport lądowy monitorowanie pojazdów, zarządzanie flotą w firmach logistycznych i transportowych, monitorowanie przewozu ładunków niebezpiecznych, monitorowanie transportu zwierząt, rozwój systemów inteligentnego transportu (gł. w metropoliach), rozwój systemów pobierania opłat drogowych (rola regulacji UE), rozwój systemów sterowania ruchem w kolejnictwie. Lotnictwo proces certyfikowania GNSS przez ICAO, stosowanie GNSS jako systemu wspomagającego we wszystkich fazach lotu, intensywny rozwój transportu lotniczego. Nawigacja morska proces certyfikowania systemów GNSS przez IMO, stosowanie GNSS w portach, do kontroli rybołówstwa i monitoringu zanieczyszczeń, stosowanie GNSS w nawigacji śródlądowej, system monitorowania ruchu statków w strefie przybrzeżnej UE (rola regulacji UE), rozwój tzw. e-nawigacji, wykorzystywanie GNSS w operacjach ratowniczych na morzu. Bezpieczeństwo i zarządzanie kryzysowe systemy GNSS jako standardowy element wyposażenia jednostek reagowania kryzysowego różnego szczebla, dostęp do baz danych GIS, coraz krótszy czas aktualizacji informacji. Odbiorcy indywidualni coraz większa dostępność cenowa, a więc i popularność odbiorników GNSS, ich integrowanie z innymi urządzeniami elektronicznymi i standardowy montaż w telefonach komórkowych. Inne dziedziny geodezja, sektor energetyczny, monitorowanie i ochrona środowiska, badania naukowe, rolnictwo, ubezpieczenia, bankowość Transport lądowy powszechne monitorowanie pojazdów, zarządzanie flotą w firmach logistycznych i transportowych, monitorowanie przewozu ładunków niebezpiecznych, monitorowanie transportu zwierząt, systemy inteligentnego transportu w metropoliach i większych miastach, systemy pobierania opłat drogowych, systemy sterowania ruchem w kolejnictwie. Lotnictwo systemy GNSS z certyfikacją ICAO jako podstawowego systemu nawigacji, systemy konwencjonalne jako zapasowe, GNSS stosowany we wszystkich fazach lotu, co ułatwi zarządzanie ruchem przy jego znacznej intensyfikacji. Nawigacja morska systemy GNSS z certyfikacją IMO, stosowane powszechnie w żegludze śródlądowej, w portach, żegludze przybrzeżnej i na pełnym morzu, do kontroli ruchu statków i operacji ratowniczych. Bezpieczeństwo i zarządzanie kryzysowe zintegrowane systemy pozycjonowania, łączności i obserwacji satelitarnej z dostępem do baz danych informacji geoprzestrzennej w czasie rzeczywistym zarówno dla potrzeb sztabu kryzysowego, jak i jednostek w terenie. Odbiorcy indywidualni odbiorniki montowane standardowo w samochodach i palmtopach, wielofunkcyjne aplikacje oparte na systemach GIS w telefonach komórkowych jako element normalnego wyposażenia wliczony w abonament i dostępny cenowo dla wszystkich użytkowników, możliwość integracji odbiorników GNSS z innymi urządzeniami elektronicznymi. Inne dziedziny GNSS jako standardowe narzędzie w geodezji, sektorze energetycznym, ochronie środowiska, rolnictwie, ubezpieczeniach, bankowości
Przeszkody i zagrożenia Tylko jeden system możliwość zakłócenia lub wyłączenia sygnału, ograniczona dostępność sygnału (np. w tzw. kanionach miejskich), ryzyko błędów w pozycjonowaniu, brak informacji o możliwych niedokładnościach lub informacja opóźniona, korzystanie z systemu oznacza dodatkowe koszty (zakup sprzętu i oprogramowania), niedokładne mapy cyfrowe i/lub ich brak co do niektórych obszarów, problem aktualizacji danych na mapach i w systemach GIS, problem ochrony praw własności intelektualnej a rozwoju nowych aplikacji. Kilka systemów nawigacji ciągłość sygnału, mniejsze ryzyko zakłóceń, informacja o błędach w pozycjonowaniu przekazywana do użytkownika z niewielkim opóźnieniem, dostępność sygnału nawet w trudnych obszarach, poprawa jakości i dokładności map cyfrowych wszystkich terenów, częstsza aktualizacja danych, lepszy dostęp do różnych systemów GIS, nowe regulacje prawne odnośnie ochrony własności intelektualnej. Kilka systemów nawigacji ciągłość sygnału, ochrona przed zakłóceniami, prawie 100 % dostępności sygnału nawet w trudnych obszarach, gwarancja wiarygodności pozycjonowania i/lub informacja o błędach w czasie niemal rzeczywistym, dostęp do zintegrowanych systemów GIS, dokładne i aktualne mapy cyfrowe wszystkich obszarów.
4. Globalne systemy nawigacji satelitarnej i ich ewolucja Projekt Foresight 4.1 GPS Jedyny istniejący obecnie w pełni operacyjny system nawigacji satelitarnej to Navstar GPS (Navigation System with Time And Ranging Global Positioning System), stworzony i kontrolowany przez amerykański Departamentu Obrony. Decyzję o jego budowie podjęto w 1973r. Wdrożenie tego systemu zautomatyzowało procesy pomiarowe, obliczeniowe i kartometryczne oraz przyspieszyło i podniosło dokładność uzyskiwania współrzędnych punktów. Pierwotnie system był wykorzystywany jedynie na potrzeby armii amerykańskiej, jednakże w 1993r., wraz z oficjalnym ogłoszeniem wstępnej zdolności operacyjnej systemu (Initial Operational Capability) USA zadeklarowały bezpłatne udostępnienie sygnału GPS użytkownikom cywilnym. Pełną zdolność operacyjną GPS osiągnął w 1995r. W maju 2000 zaprzestano wprowadzania niedokładności do sygnałów cywilnych (tzw. selective availability ), co znacznie poprawiło uzyskiwane parametry. Nie istnieje jednak żadne prawnomiędzynarodowe zobowiązanie USA ograniczające w razie potrzeby możliwość ponownego zmniejszenia precyzji lub nawet wyłączenia sygnałów dostępnych dla użytkowników cywilnych. Segment kosmiczny GPS obejmuje konstelację 24 satelitów poruszających się po 6 niemalże kołowych, półsynchronicznych orbitach nachylonych do równika pod kątem 55, równomiernie rozmieszczonych względem kuli ziemskiej. Satelity umieszczone są po cztery na każdej orbicie, na wysokości 20200 km nad powierzchnią Ziemi. Okres obiegu globu ziemskiego wynosi 12 godzin, a czas znajdowania się satelity ponad horyzontem 5 godzin. Dobranie takich parametrów zapewniło symetryczne rozmieszczenie ponad horyzontem miejsca obserwacji (w zasięgu bezpośredniej łączności radiowej) co najmniej czterech satelitów względem każdego punktu na Ziemi o dowolnej porze. Na orbitach umieszczono też cztery aktywne satelity rezerwowe mające na celu uzupełnienie dziurawych miejsc w konstelacji. Każdy z satelitów nadaje wysoko-stabilne częstotliwości pomiarowe (dwie fale nośne o częstotliwościach L1 = 1575,42 MHz i L2 = 1227,60 MHz), transmituje sygnały czasu zegara własnego oraz retransmituje informacje efemerydalne dotyczące położenia satelity w przestrzeni. Dodatkowo wszystkie satelity mają własne charakterystyczne sygnały, Źródło: ESA 7 Istnieją dwie wersje systemu GPS: dostępny tylko dla zastosowań militarnych PPS (Precise Positioning System) o wysokiej dokładności i SPS (Standard Positioning System) dla użytkowników cywilnych, o gorszych parametrach. 8 Do maja 2000 r. system SPS podawał pozycję z dokładnością (w 95 % przypadków) do 100 metrów - w praktyce było to 20-40 metrów - w przypadku pomiarów w dwóch wymiarach. Dla pomiarów w trzech wymiarach dokładność wynosiła 160 metrów. Pomiar czasu miał dokładność 340 nanosekund. Dla systemu PPS te wartości wynosiły odpowiednio: 10 metrów, 30 metrów i 100 nanosekund (dane oficjalne). 9 Odbiorniki cywilne są ponadto wyposażane w zabezpieczenia uniemożliwiające zastosowanie ich w niektórych dziedzinach (zwłaszcza do kierowania bronią precyzyjną), np. przestają działać po przekroczeniu pewnej prędkości starsze odbiorniki 160 km/h, nowsze rzędu 1665 km/h. Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 13
które pozwalają na ich pełną identyfikację przez odbiornik. Jak już wspomniano, cywilny sygnał GPS znalazł zastosowanie w wielu dziedzinach, między innymi w: nawigacji morskiej, lądowej i powietrznej, w pomiarach geodezyjnych, pracach doświadczalnych i dla szeroko pojmowanych celów rekreacyjnych. Wobec uzyskiwania przez przemysł amerykański znacznych dochodów z produkcji odbiorników i rozwoju aplikacji oraz w obliczu pojawiającej się konkurencji ze strony systemów Glonass i Galileo Stany Zjednoczone podjęły decyzję o modernizacji GPS w sposób umożliwiający zaspokajanie potrzeb użytkowników cywilnych. Celem jest zwiększenie dokładności, wiarygodności, dostępności, niezawodności i odporności systemu na zakłócenia oraz zredukowanie złożoności systemów wspomagania GPS. W zakres docelowych działań rozwoju GPS wchodzą: a) zapewnianie usług dla użytkowników GPS zarówno cywilnych jak i wojskowych; b) ograniczenie wymagań GPS III jedynie do celów operacyjnych; c) zapewnienie elastyczności, która może pozwolić na przyszłe zmiany, aby spełnić wymagania użytkowników do roku 2030; d) zapewnienie potencjału dla wzrastających wymagań na precyzyjne określanie pozycji i czasu jako usługi międzynarodowej. Niektóre planowane usprawnienia obejmują: dodanie nowego sygnału na częstotliwości L2 dla użytkowników cywilnych, dodanie trzeciego cywilnego sygnału L5, ochronę i dostępność jednego z dwóch nowych sygnałów dla usługi bezpieczeństwa lotów (lokalizacja ARNS). Zmiany te poprawioną strukturę sygnału i Dziś (2006) Jutro (2012) Pojutrze (2020) Liczba satelitów na orbicie 30 (16 satelitów Block II/IIA, 12 satelitów Block II-R, 2 satelity Block 2R-M z drugim sygnałem cywilnym L2C) Częściowa wymiana satelitów na Block 2R-M (min.24) Co najmniej 28 satelitów nowej generacji GPS III Sygnał cywilny L1, L2 L1, L2C, początki L5 L1, L2C, L5, L1C Dokładność Pozioma: 10 20 m Pionowa: 15 30 m Pozioma: 5 10 m, Pionowa 8 15 m Pozioma: 0,5 1 m Pionowa: 1,5 2 m Dostępność Brak gwarancji, słaba w pobliżu równika 99,5 % 99,5 % Wiarygodność Brak informacji Początki informacji (sygnał L5) Informacja o wiarygodności w sygnale L5 Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 14
jego moc. Chociaż sygnał L2 aktualnie nie jest częścią standardowej usługi określania pozycji (SPS) GPS, wielu użytkowników cywilnych wykorzystuje nie kodowane lub częściowo kodowane odbiorniki na podwójną częstotliwość. W konsekwencji, rząd USA uznał, że dostępność dwóch dodatkowych C/A kodowanych sygnałów jest istotna dla wielu krytycznych zastosowań GPS. Planuje się, że sygnały te poprawią możliwości GPS zabezpieczenia potrzeb użytkowników cywilnych. Następny kodowany sygnał będzie dodany na częstotliwości L2C (1 227,60 MHz) na satelitach przewidzianych do wysłania na orbitę od 2005 r. i w pełni dostępny w 2012r. Jego większa moc, odporność na interferencje i możliwość wyznaczania poprawki jonosferycznej sprawiają, że będzie przeznaczony dla potrzeb komercyjnych. Trzeci sygnał cywilny (L5), który może spełnić wymagania zastosowań krytycznych ze względu na bezpieczeństwo lotów w lotnictwie cywilnym, będzie dodany na częstotliwości 1 176,45 MHz w okresie 2008 2015. Sygnał L5 jest sygnałem bardziej odpornym na zakłócenia - z poziomem mocy -154 dbw. Czwarty sygnał cywilny L1C, projektowany dla uzyskania pełnej kompatybilności z innymi systemami GNSS, ma być wprowadzany po 2013r. Trójsystemowy odbiornik sygnałów czasu TTS 3 skonstruowany w CBK PAN W roku 2020 będzie w pełni funkcjonować nowa generacja satelitów GPS III, zapewniająca znacznie zwiększoną moc i różnorodność sygnału, co ma umożliwić spełnienie wymagań użytkowników cywilnych i wojskowych przewidzianych na następne 30 lat. Źródło: CBK PAN Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 15
4.2 Glonass Rosyjskim odpowiednikiem GPS jest system Glonass, który rozpoczął działalność w 1993 r. z konstelacją 12 satelitów. Zaprojektowany głównie do celów wojskowych Glonass był w pełni operacyjny w 1995 r. z konstelacją 24 satelitów, jednakże później ich liczba zaczęła spadać. Równocześnie Glonass jest dostępny dla użytkowników cywilnych - sygnał L1 ze standardową dokładnością i bez ograniczeń dostępu. W 1995 r. rząd rosyjski zobowiązał się do zapewnienia wolnego dostępu do Glonassa przez 10 lat. Uznając znaczenie nawigacji satelitarnej rząd rosyjski przyjął 20 sierpnia 2001 r. długoterminowy program utrzymania, modernizacji i zastosowania systemu Glonass, zapewniający rozwój sprzętu użytkownika i produkcję seryjną. Ostatecznym celem programu jest w pełni operacyjny system globalny z parametrami zapewniającymi szerokie wykorzystanie Glonassa na rosyjskim i światowym rynku nawigacji satelitarnej. Etapy rozwoju segmentu kosmicznego systemu Glonass 1. Utrzymanie systemu poprzez wystrzelenie satelitów Glonass aktualnej generacji; nawet ograniczona konstelacja zapewnia użytkownikom cywilnym standardowe usługi. Mogą nastąpić przerwy do 3-4 godzin. W chwili obecnej na orbicie znajduje się 16 satelitów (13 Glonass, 3 Glonass M). 2. Od 2005 roku planowane jest stosowanie satelitów Glonass - M o przedłużonym czasie życia (do 7 lat) i poprawionych parametrach technicznych (pierwszy wysłany na orbitę w 2003 r.). Do satelitów GLONASS- M wprowadzono następujące funkcje dodatkowe: a) nowy sygnał cywilny w paśmie L2, poprawiającego dokładność nawigacji i niezawodność oraz zwiększenie odporności na zakłócenia odbiornika dla zastosowań cywilnych; b) łącza radiowe pomiędzy satelitami GLONASS-M w celu wykonywania kontroli integralności systemu na bieżąco i zwiększenie czasu autonomicznego operowania konstelacji satelitów bez utraty dokładności nawigacji. Dokładność pomiaru powinna być mniejsza niż 30 m (w 95 %). W tym etapie będzie także przeprowadzona modernizacja segmentu kontroli naziemnej oraz wprowadzony system monitorowania wiarygodności. 3. Po 2008 roku na orbicie będzie umieszczana nowa generacja satelitów GLONASS-K z lepszą dokładnością i czasem działania większym niż 10 lat, które będą nadawały sygnały o standardowej dokładności dla użytkowników cywilnych na trzech częstotliwościach: L1, L2 i L3. Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 16
Sygnał GLONASS-K L3 będzie miał podział kanałów na częstotliwości i zajmował 22 MHz pasma w zakresie 1 164 MHz - 1 215 MHz. Wykorzystanie sygnału L3 łącznie z innymi sygnałami dokładności poprawi stabilność i niezawodność sygnałów nawigacji. Następna wersja GLONASS-K będzie miała także możliwość odbioru i retransmisji sygnałów zagrożenia, co umożliwi uruchomienie usługi search and rescue. Dokładność pomiaru ma wynosić 5-7 m (w 95 %). Planowana jest dalsza modernizacja systemu naziemnego w celu zwiększenia dokładności i wiarygodności pozycjonowania. Federalny program Glonass zakłada umieszczenie na orbicie 18 satelitów niezbędnych do zapewnienia globalnego zasięgu systemu do 2007 roku, a następnie rozbudowę konstelacji do 24 satelitów w 2011-12 roku. Dziś (2006) Jutro (2012) Pojutrze (2020) Liczba satelitów na orbicie Sygnał cywilny 16 (13 Glonass, 3 Glonass M), 13 operacyjnych L1, L2 z satelitów Glonass M 24 (Glonass M i Glonass K) L1, L2, L3 L1, L2, L3 24 Glonass K, prawdopodobnie kilka nowej generacji Dokładność Pozioma: 60 m, pionowa: 75 m Pozioma: poniżej 30 m Pozioma: 5 7 m Dostępność Możliwe przerwy nawet do 3 4 godzin 99,5 % 99,5 % Wiarygodność Brak informacji Informacja o wiarygodności w trzecim sygnale (początki) Informacja o wiarygodności w trzecim sygnale Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 17
4.3 Galileo Trzeci, powstający dopiero globalny system nawigacji satelitarnej to Galileo - wspólna inicjatywa Unii Europejskiej i Europejskiej Agencji Kosmicznej. Galileo jest największym projektem opartym na budowie i wykorzystywaniu infrastruktury kosmicznej w dotychczasowej historii Unii, którego budowę uznano za strategiczny projekt Wspólnoty ze względu na jego potencjał ekonomiczny, naukowy i społeczny. Program ten to jeden z głównych elementów dynamicznie rozwijającej się Europejskiej polityki kosmicznej i tworzonego przez wspólnie przez UE i ESA Europejskiego programu kosmicznego. Należy podkreślić, że w odróżnieniu od GPS i Glonass, Galileo z założenia jest systemem cywilnym pozostającym pod kontrolą międzynarodową. Warto poświęcić kilka zdań specyfice sposobu jego powstawania, ponieważ niestety przekłada się ona na pewne opóźnienia w realizacji projektu. Wynika to zarówno z konieczności pogodzenia interesów wielu krajów (czego przykładem są dyskusje o ewentualnych militarnych zastosowaniach Galileo), jak i interesów sektora publicznego i prywatnego. W ramach współpracy UE ESA Komisja Europejska odpowiedzialna jest za polityczną stronę projektu, architekturę systemu, korzyści ekonomiczne oraz zaspakajanie potrzeb użytkowników. Europejska Agencja Kosmiczna odpowiada zaś za techniczną stronę projektu, tzn. definiowanie i rozwój systemu, sprawdzanie poprawności działania satelitów na orbitach jak również kontrolowanie pracy elementów naziemnych. Mimo, że odpowiedzialność za tworzenie Galileo spoczywa głównie na Unii Europejskiej i ESA, w późniejszej fazie nadzór nad rozwojem technicznym i operacyjnym systemu zostanie przekazany w ręce prywatne na zasadzie partnerstwa publiczno - prywatnego. Polega ono na tym, że za realizację pierwszych faz tworzenia systemu odpowiada sektor publiczny, natomiast faza wdrażania satelitów, a następnie utrzymanie systemu będzie już spoczywać w rękach koncesjonariusza. Będzie on na zasadach komercyjnych zarządzał systemem znajdując się jednak pod stałym nadzorem międzynarodowego ciała kontrolnego - Supervisory Authority. Postępowanie konkursowe o przyznanie dwudziestoletniej koncesji na zarządzanie systemem Galileo zainicjowano w październiku 2003 roku. Rozmowy z dwoma kandydatami rozpoczęły się w kwietniu 2004r., a rok później powstało połączone konsorcjum. Negocjacje kontraktu na koncesję w oparciu o wspólną ofertę mają się zakończyć w 2007 roku. Rozmowy te powinny doprowadzić do precyzyjnego zdefiniowania podziału ról i zakresu obowiązków i odpowiedzialności koncesjonariusza i strony publicznej, zwłaszcza w kwestiach finansowych i zarządzania ryzykiem (mechanizmy gwarancji). W chwili obecnej na orbicie znajduje się tylko jeden eksperymentalny satelita GIOVE A, wystrzelony 28 grudnia 2005r., i trwa proces budowy infrastruktury naziemnej. Zakłada się, że system Galileo będzie w pełni operacyjny w 2012 roku. Wokół Ziemi będzie krążyć 30 satelitów, rozmieszczonych równomiernie na trzech kołowych orbitach średnich (Medium Earth Orbit - MEO), nachylonych pod kątem 56o względem płaszczyzny równika. 27 satelitów operacyjnych (rozmieszczonych co 40o) wraz z 3 (po jednym na każdej orbicie) aktywnymi satelitami zapasowymi będzie poruszać się na wysokości 23 616 km nad powierzchnią Ziemi, okrążając nasz glob w ciągu 14 godzin i 21 minut. Dzięki takiemu rozmieszczeniu satelitów (większy promień orbity niż w przypadku GPS), system zapewni dobrą jakość sygnału pomiarowego nawet na 75 szerokości geograficznej. Duża liczba satelitów znajdujących się na orbitach wpłynie także bardzo korzystnie na jakość jego działania. Utrata jednego z nich nie powinna nawet zakłócić funkcjonowania całego systemu. Galileo będzie wykorzystywał kilka sygnałów nośnych transmitowanych w dół (w kierunku kosmos-ziemia), które mogą mieć charakter mieszany: Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 18
pasmo E2: sygnał wąskopasmowy ogólnodostępny w paśmie L-1: od 1,559 do 1,563 MHz; pasmo E1: sygnał wąskopasmowy ogólnodostępny w paśmie L-1: od 1,587 do 1,591 MHz; pasmo E6 (zastrzeżone): od 1,260 do 1,300 MHz; pasmo E5 w zakresie od 1,164 do 1,215 MHz (pierwsza połowa pasma współużytkowana z systemem GPS). Niektóre częstotliwości nośne przenoszą kody pseudolosowe służące do pomiaru czasu propagacji oraz sygnały nawigacyjne, a inne wyłącznie kod. Niektóre sygnały są szyfrowane. Zastosowanie dwóch równoległych częstotliwości nośnych umożliwia korekcję błędów w transmisji spowodowanych przez opóźnienie jonosferyczne. Chociaż wyraźnie niezależny, Galileo będzie kompatybilny i interoperacyjny z GPS. Część z jego sygnałów, które będą nadawane w pasmach 1 559-1 610 MHz i 1 164-1 215 MHz jest przeznaczonych do łatwego użycia przez połączone odbiorniki GPS i Galileo. Liczba satelitów na orbicie Dziś (2006) Jutro (2012) Pojutrze (2020) 1 testowy 30 (27 operacyjnych, 3 zapasowe) 30 (27 operacyjnych, 3 zapasowe) Sygnał cywilny Testowy L1, E5, E6 L1, E5, E6 Brak Pozioma 15 m w serwisie otwartym (jedna częstotliwość Pozioma 15 m w serwisie otwartym (jedna częstotliwość Dokładność sygnału), 4 m sygnału), 4 m w serwisach w serwisach komercyjnych (dwie częstotliwości) Pionowa 35 m, 8 m komercyjnych (dwie częstotliwości) Pionowa 35 m, 8 m Dostępność Brak 99,5 % 99,5 % Wiarygodność Brak Brak gwarancji, tylko w serwisach certyfikowanych informacja o możliwych błędach w ciągu 6 sekund Możliwość gwarancji w serwisach komercyjnych Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 19
5. Systemy wspomagające Oferowana obecnie przez system GPS dokładność pomiarów rzędu kilkunastu metrów okazała się niewystarczająca dla wielu aplikacji komercyjnych oraz w sytuacjach, gdy niezbędna jest precyzyjna lokalizacja obiektów, np. w lotnictwie czy w portach morskich. Typowe błędy w pomiarach nawigacji satelitarnej to: opóźnienie jonosferyczne - zaburzenia w prędkości rozchodzenia się sygnałów z satelitów w jonosferze (błąd około 7 m), opóźnienie troposferyczne - analogiczne zjawisko w troposferze wywołane zmianami wilgotności, temperatury i ciśnienia powietrza (błąd ± 0.5 m), błąd efemeryd - różnice między teoretyczną a rzeczywistą pozycją satelitów (± 2.5 m), niedokładności zegara satelitów (± 2 m), odbiór sygnałów odbitych, docierających do odbiornika innymi drogami niż bezpośrednio od satelity (± 1 m), błędy odbiornika - szumy zakłócające transmisję, niedokładności procedur obliczeniowych w oprogramowaniu (± 1 m). Aby zwiększyć dokładność, dostępność, ciągłość i wiarygodność działania globalnych systemów nawigacyjnych stworzono kilka systemów wspomagających, umożliwiających obliczanie i przesyłanie różnicowych danych korekcyjnych, zarówno o zasięgu lokalnym (DGPS), jak i regionalnym (WAAS, EGNOS, MSAS). Warto podkreślić, że z założenia systemy te nie działają samodzielnie, lecz jako uzupełnienie GPS, a w przyszłości także Glonass i Galileo. 5.1 DGPS DGPS (Differential Global Positioning System) to technika pomiarów GPS pozwalająca Projekt Foresight uzyskanie znacznie większej dokładności niż przy standardowym pomiarze jednym odbiornikiem do ok. 1 2 metrów lub jeszcze lepszej. W tym celu wykorzystuje się stację naziemną o dokładnie znanych współrzędnych (przynajmniej w zaokrągleniu do 1 metra), uzyskanych za pomocą dowolnej techniki geodezyjnej. Dla każdego satelity wyniki rzeczywistych pomiarów dokonywanych przez stację referencyjną są porównywane z wartościami teoretycznymi obliczanymi na podstawie współrzędnych odniesienia i pozycji satelitów. Dzięki temu można określić poprawki, jakie użytkownicy znajdujący się w pobliżu (w odległości kilkuset km) powinni wprowadzić do swoich obliczeń, aby uzyskać dokładniejsze dane dotyczące swojego położenia. Poprawki są transmitowane do odbiorników użytkowników (zwykle ruchomych) najczęściej w formacie RTCM lub CMR, za pośrednictwem łączy VHF, GPRS lub innych. Błędy eliminowane przez pomiar DGPS to: Błąd zegara satelity Błąd efemeryd Opóźnienie jonosferyczne Opóźnienie troposferyczne DGPS nie eliminuje natomiast szumu własnego odbiornika i efektu wielotorowości sygnału satelitarnego (multipath). Dodatkową zaletą tego systemu jest możliwość jego stosowania zarówno w czasie rzeczywistym, jak i przez późniejsze przetworzenie danych. Lokalne systemy DGPS są bardzo popularne w regionach nadmorskich 10 (nawigacja przybrzeżna i portowa), także w Polsce. 5. 2 Systemy satelitarne SBAS (Satellite Based Augmentation System) Podobnie jak w przypadku globalnych systemów nawigacyjnych, także satelitarne systemy wspomagania mają zbliżoną strukturę i sposób funkcjonowania, niezależnie od przynależności państwowej. Tak jak system DGPS opierają się na sieci 10 Systemy DGPS są szczególnie przydatne na wyższych szerokościach geograficznych (ok. 55 stopnia N i S), gdzie mocno ograniczona jest widoczność satelitów geostacjonarnych stosowanych w systemach SBAS (zjawisko to występuje nawet w Polsce przy korzystaniu z EGNOS). Ta ich zaleta sprawia, że - pomimo budowy nowych systemów SBAS i poszerzania zasięgu już istniejących przyszłość sieci DGPS w ciągu najbliższych kilkunastu lat jest raczej zapewniona. Być może w dalszej perspektywie poprawa dokładności głównych systemów GNSS zmieni ten stan rzeczy. Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 20
referencyjnych stacji naziemnych, jednakże sygnały zawierające poprawki różnicowe i informacje o wiarygodności sygnału GNSS są transmitowane za pośrednictwem satelitów geostacjonarnych. Główny obszar zastosowań to lotnictwo. Obecnie istnieją trzy systemy typu SBAS amerykański WAAS, europejski EGNOS i japoński MSAS jednakże kilka innych państw również deklaruje chęć budowy takich systemów. Najbardziej zaawansowane są prace nad indyjskim systemem GAGAN, który powinien być w pełni operacyjny około 2014 roku. Kolejne kraje zainteresowane SBAS to Chiny (plany systemu Beidou), Nigeria, Arabia Saudyjska, Pakistan, Iran i Brazylia 11. 5.2.1 EGNOS European Geostationary Navigation Overlay Service to nakładka ulepszająca na amerykański GPS i rosyjski Glonass, stworzona wspólnie przez Unię Europejską, Europejską Agencję Kosmiczną oraz Europejską Organizację do spraw Bezpieczeństwa Antena stacji EGNOS RIMS w Warszawie Źródło: CBK PAN Nawigacji Powietrznej EUROCONTROL. Transmisja pierwszych sygnałów rozpoczęła się w lutym 2000r. System EGNOS zaczął funkcjonować w centrum Europy w 2004 r. Rozpoczęły się wstępne próby obejmujące testy w trakcie lotu i podejścia do lądowania. Uzyskano dokładność określania pozycji poniżej 5 metrów, zarówno poziomą, jak i pionową. Zasada działania systemu jest prosta - do odbiorników GPS współpracujących z EGNOS wysyłane są sygnały korekcyjne pochodzące z satelitów geostacjonarnych znajdujących się nad Europą. Sygnały te zawierają korekty pozycji podawanych przez sieć GPS, co kilkukrotnie zwiększa ich dokładność. Przede wszystkim jednak, EGNOS weryfikuje dane pochodzące z sieci GPS, sprawdzając, czy nie doszło do awarii tych satelitów lub błędów podczas transmisji. Dzięki temu, dane z sieci GPS/EGNOS mogą być zastosowane tam, gdzie ze względów bezpieczeństwa, muszą być w pełni wiarygodne. Są to tzw. aplikacje typu Safety of Life, np. precyzyjna nawigacja samolotów, sterowanie ruchem pociągów czy niektóre akcje ratunkowe. EGNOS został zaprojektowany tak, aby zapewnić nieprzerwaną ciągłość działania przez najbliższych kilkanaście lat, wspomagać działania systemów GPS i GLONASS, a w przyszłości stać się także elementem globalnego systemu nawigacji satelitarnej Galileo. Jego architektura, której elementy rozmieszczone są po całej Europie składa się z czterech następujących segmentów: kosmicznego (przestrzennego), naziemnego (kontroli), użytkownika oraz infrastruktury wspierającej. Segment kosmiczny EGNOS a składa się z trzech satelitów geostacjonarnych: Inmartsat III AOR-E (Atlantic Ocean Region East - 15,5 W) (PRN 120), Inmartsat III IOR-W (Indian Ocean Region West -25 E) (PRN 126) oraz ESA Artemis (Advanced Relay Technology Mission - 21,5 E) (PRN 124), który jest telekomunikacyjnym satelitą należącym do Europejskiej Agencji Kosmicznej. Do segmentu kosmicznego należy także 11 Kraje pragnące stworzyć własne systemy SBAS kierują się zarówno motywami ekonomicznymi, jak i polityczno - prestiżowymi. Stosunkowo niewielkie nakłady finansowe (w porównaniu z kosztami całej konstelacji satelitów nawigacyjnych) na infrastrukturę naziemną i 2 3 satelity geostacjonarne umożliwiają znaczną poprawę dokładności pozycjonowania na najważniejszym dla danego państwa obszarze (nawet poniżej 3 m), zwiększając tym samym wachlarz możliwych zastosowań. Przekazywanie przez własny system SBAS informacji o wiarygodności sygnału GNSS do pewnego stopnia oznacza uniezależnienie się od głównych systemów wprawdzie dany kraj nie może zapobiec np. zakłóceniu sygnału GPS przez Stany Zjednoczone, ale jest w stanie takie zakłócenia natychmiast wykryć i przynajmniej częściowo zniwelować. Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 21
zaliczyć konstelacje satelitarnych systemów nawigacyjnych GPS i GLONASS. Zadaniem satelitów geostacjonarnych jest transmitowanie za pomocą specjalnych transponderów pokładowych sygnałów zbliżonych swoją postacią do tych emitowanych przez satelity GPS. Ich kodowanie jest jednak tak dobrane, by pomimo tej samej częstotliwości L1 współczynnik korelacji z sygnałami systemu GPS był jak najmniejszy, a tym samym powodował jak najmniejsze ich degradacje. Przesyłane wiadomości zawierają poprawki różnicowe ulepszające obserwacje GPS i GLONASS zwiększając dokładność ich pracy. Zawierają także dane dotyczące wiarygodności ich działania, jak również informują i alarmują użytkownika w ciągu kilku sekund o pojawieniu się błędów oraz wynikłych w czasie transmisji defektach. Drugim komponentem architektury systemu EGNOS jest segment naziemny, który składa się z sieci 34 stacji referencyjnych RIMS (Ranging and Integrity Monitoring Stations), zespołu 4 stacji kontroli MCC (Mission Control Centers) oraz grupy 6 stacji NLES (Navigation Land Earth Stations). Dopełnieniem segmentu kontroli jest sieć komunikacyjna EWAN (EGNOS Wide Area Communications Network), która odpowiada za łączność pomiędzy wszystkimi elementami naziemnej części systemu. Warto podkreślić, że Polska również jest częścią systemu EGNOS w Warszawie znajduje się jedna z 34 stacji RIMS. 5.2.2 WAAS WAAS (Wide Area Augmentation System) to system amerykański, obejmujący swoim zasięgiem Amerykę Północną i Atlantyk. Zasada jego działania jest taka sama jak opisanego powyżej systemu EGNOS; również jego struktura jest podobna system składa się z 25 naziemnych stacji referencyjnych (nowe budowane są w Kanadzie i Meksyku), 5 centrów obliczeniowo-kontrolno-nadawczych i 2 satelitów geosynchronicznych. GPS/ WAAS to podstawowy system nawigacyjny stosowany w amerykańskiej przestrzeni powietrznej, a jego wykorzystywanie już spowodowało znaczną redukcję naziemnych pomocniczych systemów nawigacyjnych na lotniskach w Stanach Zjednoczonych. 5.2.3 MSAS Pierwszy satelita japońskiego systemu MSAS (Multifuncional Satellite-Based Augmentation System) został wyniesiony na orbitę w lutym 2005 roku, a kolejny rok później. Aktualnie trwają testy systemu; w pomiarach przeprowadzonych od 21 do 31 grudnia 2005 r. uzyskano dokładności poziome od 5,3 do 0,8 m przy dostępności sygnału 95 %. Wspólnym kierunkiem ewolucji istniejących systemów SBAS jest dążenie do poszerzania ich zasięgu poprzez budowę nowych stacji referencyjnych. Inna istotna cecha systemów wspomagania satelitarnego to ich kompatybilność. WAAS, EGNOS i MSAS to systemy regionalne, jednakże na mocy porozumienia MOPS (Minimum Operational Performance Standards) transmitowane przez nie informacje mają taką samą strukturę. Dlatego też odbiorniki rozumieją zawartość odbieranych sygnałów niezależnie od systemu, który je emituje. Kooperacja ta powoduje także znaczący wzrost terenowej dostępności ich sygnałów, a w połączeniu z planowanymi ulepszeniami systemów satelitarnych umożliwi w przyszłości rzeczywisty, globalny serwis nawigacji satelitarnej. Schemat zasięgu systemów SBAS Źródło: www.nawigatornia.pl Polskie Biuro do spraw Przestrzeni Kosmicznej 22