CIEĆKO Adam 1,2 GRUNWALD Grzegorz 1 KAŹMIERCZAK Rafał 1 TANAJEWSKI Dariusz 1 BAKUŁA Mieczysław 1,2 OSZCZAK Stanisław 2 ZAZULA Michał 3 Stacja referencyjna GNSS EGNOS w procesie wdrażania procedur lądowania z wykorzystaniem technologii satelitarnej WSTĘP Artykuł przedstawia część zadań zrealizowanych w ramach projektu Implementacja innowacyjnych technik satelitarnych GNSS na lotnisku Olsztyn-Dajtki, dzięki któremu lotnisko jako jedno z pierwszych w Polsce będzie miało opracowane procedury podejścia instrumentalnego w/g GNSS. Jednym z celów projektu jest przeprowadzenie permanentnych badań i analiz mających na celu wyznaczanie parametrów charakteryzujących jakość pozycjonowania przy wykorzystaniu systemu EGNOS. Realizacja zadania wymaga m.in. budowy stacji monitorującej EGNOS na terenie Aeroklubu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie. Stacja pozwoli na scharakteryzowanie dokładności, wiarygodności, ciągłości oraz dostępności sygnałów systemu, którego głównym celem działania jest wsparcie dla aplikacji związanych bezpośrednio z bezpieczeństwem transportu lotniczego. Stacja monitorująca lokalnie sygnał satelitów GPS oraz EGNOS pozwoli w konsekwencji na podniesienie bezpieczeństwa podczas lądowania statków powietrznych korzystających z procedur podejścia GNSS. 1 WYBÓR WSTĘPNEJ LOKALIZACJI ANTENY GNSS W celu wybrania lokalizacji permanentnej stacji monitorującej pracę systemu EGNOS, dokonano w dniu 11 lutego 2014 r. przeglądu istniejących elementów infrastruktury Aeroklubu Warmińsko Warmińskiego w Olsztynie (budynki, kominy), mogących być miejscami odpowiednimi do montażu anteny GNSS stacji monitorującej sygnał EGNOS. W tym dniu uzgodniono także z kierownictwem Aeroklubu lokalizację odbiornika GNSS oraz komputera sterującego, które będą umieszczone w sali wykładowej Aeroklubu. Biorąc pod uwagę lokalizację istniejących anten komunikacyjnych, w tym anteny kierunkowej Lotniczego Pogotowia Ratunkowego oraz planowane miejsce montażu odbiornika i komputera, najbardziej dogodnym miejscem okazał się południowy narożnik dachu budynku administracyjnego (rys. 1). W celu potwierdzenia prawidłowości wyboru lokalizacji należało uruchomić w wybranym miejscu tymczasową stację referencyjną GNSS, monitorującą sygnały satelitarne systemu GPS oraz EGNOS. 1 Uniwersytet Warmińsko Mazurski w Olsztynie, Wydział Geodezji i Gospodarki Przestrzennej, ul. Prawocheńskiego 15, 10-720 Olsztyn, tel. +48 89 523-45-54, fax. +48 89 523 42 78, a.ciecko@kgsin.pl 2 Wyższa Szkoła Oficerska Sił Powietrznych w Dęblinie, Wydział Lotnictwa, ul. Dywizjonu 303 nr 35, 08-521 Dęblin, tel. +48 605-850-697, fax. +48 81 551-74-17, a.ciecko@kgsin.pl 3 Aeroklub Warmińsko Mazurski, ul. Sielska 34, 10-802 Olsztyn, tel./fax. +48 89 527-52-40, aeroklub@aeroklub.olsztyn.pl 2774
Rys. 1. Wstępna lokalizacja anteny GNSS oraz lokalizacja anteny kierunkowej LPR 2 TYMCZASOWA STACJA REFERENCYJNA GNSS W dniu 4 czerwca 2008 Międzynarodowy Komitet EUPOS wydał rekomendacje dotyczące projektowania stacji referencyjnych GNSS mających wejść w skład systemu EUPOS. Zasady zawarte w dokumencie pozwalają na prawidłową lokalizację anteny odbiornika GNSS w celu uniknięcia zakłóceń w pozycjonowaniu [4]. Projektując stację referencyjną należy uwzględnić przede wszystkim warunek odkrytego horyzontu i stabilności stanowiska. W specyfikacji przedstawiono zalecenia dla montażu stacji w celu uniknięcia efektu wielotorowości oraz ewentualnych szumów. Podczas pozycjonowania GNSS istnieje szereg różnych źródeł błędów mających wpływ na pomiary kodowe i fazowe. Większość z nich może być usunięta za pomocą technik różnicowych, ze względu na ich korelację przestrzenną, np. wpływ warstwy jonosfery czy troposfery. W celu szczegółowego przeanalizowania wartości parametrów charakteryzujących dokładność, dostępność, ciągłość oraz wiarygodność pozycjonowania GPS/EGNOS w wybranej lokalizacji, uruchomiono w dniach 18-24.02.2014 r. tymczasową stację referencyjną GPS/EGNOS. Podczas testu zarejestrowano 7 dobowych sesji pomiarowych, co pozwoliło na pełną weryfikację proponowanej lokalizacji. Do rejestracji danych satelitarnych wykorzystano odbiornik Septentrio AsteRx2e oraz antenę PolaNt_GG zamontowaną na tymczasowym stelażu, a także komputer typu laptop rys. 2. Rys. 2. Antena PolaNt_GG zamontowana w tymczasowo w wybranej lokalizacji oraz odbiornik Septentrio AsteRx2e wraz z komputerem rejestrującym dane GPS/EGNOS 3 ANALIZY DOKŁADNOŚCI ORAZ WIARYGODNOŚCI (PROTECTION LEVELS) POZYCJONOWANIA GNSS W WYBRANEJ LOKALIZACJI Każda sesja pomiarowa rozpoczynała się o godzinie 00:00:00 czasu GPS i kończyła się o godzinie 23:59:59 tego samego dnia. Na każdą epokę (interwał 1 s) wyznaczano w czasie rzeczywistym pozycję przy wykorzystaniu systemów GPS/EGNOS. Dla wszystkich konfiguracji przyjęto tryb 2775
nawigacyjny precision-approach, maskę elewacji na poziomie 10 oraz wykluczono z algorytmu pozycjonowania pseudoodległości do satelitów geostacjonarnych EGNOS. Rysunki 3-6 prezentują przykładowe wyniki (z jednego dnia) wstępnych analiz dokładności oraz parametrów charakteryzujących wiarygodność pozycjonowania: HPL Horizontal Protection Level oraz VPL Vertical Protection Level, systemu EGNOS. Pełne analizy wykonano na podstawie 7 dobowych sesji pomiarowych wykonanych w miejscu, w którym planowany jest montaż właściwej anteny GNSS, będącej częścią zestawu pomiarowego stacji. Rys. 3. Wartości błędów wyznaczenia współrzędnych punktów w płaszczyźnie horyzontalnej oraz liczba wykorzystanych satelitów GPS w dniu 18.02.2014. Rys. 4. Wartości HPL w dniu 18.02.2014. Rys. 5. Wertykalna dokładność pozycjonowania oraz liczba wykorzystanych satelitów GPS w dniu 18.02.2014. 2776
Rys. 6. Wartości VPL w dniu 18.02.2014. Tabela 1 prezentuje obliczone błędy średnie współrzędnych wyznaczonych w każdej 24-godzinnej sesji pomiarowej. Tab. 1. Błędy średnie wyznaczenia współrzędnych stacji referencyjnej Błąd średni wyznaczenia Sesja pomiarowa pozycji horyzontalnej [m] Błąd średni wyznaczenia pozycji wertykalnej [m] 18.02.2014 1,02 1,00 19.02.2014 1,01 0,85 20.02.2014 0,83 0,73 21.02.2014 0,86 0,76 22.02.2014 0,95 1,13 23.02.2014 0,95 1,22 24.02.2014 0,92 1,14 Na podstawie wykresów charakteryzujących przeprowadzone analizy dokładności i wiarygodności pozycjonowania GPS/EGNOS w badanej lokalizacji, nie stwierdzono żadnych przerw w pracy aparatury pomiarowej, spowodowanych czynnikami zewnętrznymi, lub działaniem elementów infrastruktury lotniska. Jedyna przerwa zaobserwowana dnia 19.02.2014. w godz. 10:28:48 11:00:00, spowodowana była czynnościami technicznymi związanymi z testowaniem działania odbiornika. Wyznaczone wartości dokładności poziomych i pionowych oraz HPL i VPL jednoznacznie wskazują na możliwość budowy docelowej stacji monitorującej pracę systemu EGNOS w wybranej lokalizacji [1, 2, 6, 7, 8]. 4 ANALIZY WIELOTOROWOŚCI ORAZ SZUMU SYGNAŁU SATELITARNEGO GPS W WYBRANEJ LOKALIZACJI Pomiary satelitarne GNSS umożliwiają uzyskanie dużej dokładności pozycjonowania (dokładność milimetrowa). Jakość wyznaczenia pozycji uzależniona jest od czasu oraz warunków obserwacyjnych. W terenach miejskich oprócz licznych zasłon terenowych, które utrudniają pomiary satelitarne GNSS istnieje wiele źródeł możliwych zakłóceń sygnałów GNSS. Zaliczyć do nich można: linie przesyłowe energii elektrycznej o dużej mocy; stacje elektromagnetyczne, stacje rozdzielcze wysokiego napięcia oraz stacje transformatorowe; radiowe i telewizyjne stacje nadawcze; stacje radarowe; urządzenia telekomunikacji bezprzewodowej; radiowe stacje nadawcze [4, 5, 11]. Sygnały rejestrowane przez odbiornik GNSS podlegają różnym błędom związanym z propagacją fal. W przypadku pomiarów na stacjach referencyjnych GNSS głównym czynnikiem wpływającym na jakość wyznaczanej pozycji staje się efekt wielotorowości sygnału. Polega on na zapisywaniu przez odbiornik oprócz sygnałów bezpośrednich z satelitów sygnałów odbitych od przeszkód terenowych (np. budynków) lub podłoża, na którym zamocowany jest odbiornik GNSS. 2777
Obserwacje GNSS na stacjach referencyjnych są zapisywane w sposób ciągły. Uwzględniając fakt, iż konstelacja satelitów GNSS jest powtarzalna, a lokalizacja stacji jest stała, to efekt wielotorowości może pojawiać się cyklicznie. Najczęściej trwa on 15-30 minut. Najbardziej narażonymi na efekt wielotorowości sygnału są sygnały satelitów o niskich elewacjach. Zarejestrowany w odbiorniku GNSS sygnał satelitarny obarczony wpływem efektu wielotorowości może w przypadku pomiarów fazowych osiągnąć błąd około 5 centymetrów, natomiast w przypadku sygnałów kodowych błąd może wynieść nawet 300 metrów [12]. Skoro efekt wielotorowości sygnału ma wpływ na jakość rejestrowanych przez odbiornik sygnałów, to musi się to przekładać na końcowe rozwiązanie pozycji. Ma to związek z licznymi przeskokami w ciągłości fali (cycle lips), które wpływają na problemy z prawidłowym wyznaczeniem nieoznaczoności. W przypadku pomiarów na stacjach referencyjnych długie opóźnienia wywołane efektem wielotorowości są eliminowane przez rozwiązania hardwarowe oraz softwarowe. Największym problemem są krótkie opóźnienia wywołane przez wielotorowość sygnału. Nie można ich modelować, przez co ciężko je wyeliminować [9, 10]. Stąd też na potrzeby weryfikacji wstępnej lokalizacji stacji referencyjnej zarejestrowano obserwacje dla 7 pełnych dni pomiarowych. Wartości błędu wielotorowości na pomiary kodowe, na częstotliwości L1 i L2 można obliczyć wykorzystując wzory [3]: gdzie: α = f 2 2 1 /f 2 f 1GPS 1575,42 MHz f 2GPS 1227,60 MHz P i pomiar pseudoodległości dla częstotliwości i L i pomiar fazy dla częstotliwości i 4.1 Praktyczny test wielotorowości dla wstępnej lokalizacji odbiornika GPS/EGNOS Analizie poddano dane zarejestrowane dla siedmiu dni testowych. Obserwacje podzielono na pliki 12 godzinne i każdy z nich został przeanalizowany pod kątem występowania efektu wielotorowości sygnału. Łącznie, podczas tygodniowego testu, poddano szczegółowej analizie 604800 epok pomiarowych. Poszczególne dni pomiarowe zostały podzielone na dwie części. Pierwsza z nich obejmowała godziny od 0:00 do 12:00 (czasu GPS), druga natomiast od 12:00 do 24:00 (czasu GPS). Dla każdego zarejestrowanego pliku zostały wypisane w tabelach charakterystyki parametrów MP1 i MP2. Wyniki podsumowujące tygodniowe obserwacje zestawiono na rysunku 7 oraz w tabeli 2. (1) (2) (3) 2778
0.28 Średnie wartości MP1 i MP2 0.27 [m] 0.26 0.25 Mean MP1 RMS Mean MP2 RMS 0.24 Dzień pomiaru Rys. 7. Średnie wartości MP1 i MP2 dla wszystkich zarejestrowanych satelitów w poszczególnych dniach pomiarowych. Tab. 2. Charakterystyka parametrów obliczeń MP1 i MP2 dla całego okresu testowego. Mean MP1 RMS 0,269 m Mean MP2 RMS 0,261 m MP1 obs 5997301 MP2 obs 5997301 MP1 slips 404 MP2 slips 169 4.2 Wnioski z badania wielotorowości, szumu oraz jakości sygnału GPS/EGNOS Uwzględniając wszystkie ewentualne czynniki zakłócające pomiary GNSS zaproponowana wstępna lokalizacja umożliwia prawidłowe działanie stacji referencyjnej. Potwierdzeniem jest wykonana walidacja pomiarów testowych. Analizując wyniki otrzymane dla poszczególnych dni pomiarowych (rys. 7) można jednoznacznie stwierdzić, że wybrana lokalizacja dla stacji referencyjnej jest prawidłowa. Obliczone wartości MP1, MP2 wykazały brak zakłóceń związanych z efektem wielotorowości. Jednocześnie przeprowadzone także, dodatkowe testy i analizy dokładnościowe oraz wiarygodnościowe pozycjonowania GPS/EGNOS w proponowanej lokalizacji (tabela 1), nie wykazały żadnych przerw w pracy sprzętu pomiarowego, spowodowanych czynnikami zewnętrznymi, lub działaniem elementów infrastruktury lotniska. Wyznaczone wartości dokładności poziomych i pionowych oraz HPL i VPL jednoznacznie wskazują na możliwość budowy docelowej stacji monitorującej pracę systemu EGNOS w wybranej lokalizacji. 5 PROJEKT MASZTU ANTENY GNSS Mając na uwadze przeprowadzone testy i analizy statystyczne pozycjonowania GPS/EGNOS, które wykazały, że wstępna lokalizacja nadaje się do montażu anteny stacji referencyjnej GNSS, przystąpiono do projektu masztu antenowego. Projekt masztu wykonano z uwzględnieniem wagi i rozmiarów anteny typu chore-ring, która została docelowo zainstalowana na maszcie. Stabilność masztu zapewniło wykonanie konstrukcji kratowej. Ze względu na montaż masztu na zewnątrz budynku, materiałem wykorzystanym do budowy była stal nierdzewna, kwasoodporna typu AISI 304. Na rysunku 8 przedstawiono szczegółowy projekt poszczególnych elementów masztu antenowego oraz zamontowany maszt na ścianie budynku Aeroklubu Warmińsko - Mazurskiego. 2779
Rys. 8. Projekt masztu oraz finalna lokalizacja anteny GNSS PODSUMOWANIE Pomimo istniejącej technicznej infrastruktury lotniska wybrana wstępna lokalizacja stacji GNSS okazała się odpowiednia do zrealizowania kolejnych zadań. Zastosowana metodologia doboru lokalizacji oraz analizy jakości danych GNSS pozwoliły na sprawne i skuteczne uruchomienie docelowej stacji monitorującej system EGNOS. Antenę GNSS zamontowano na specjalnie do tego celu zaprojektowanym i wykonanym maszcie. Stacja rejestruje obserwacje od 01.06.2014, które są analizowane w celu wyznaczenia parametrów charakteryzujących jakość pozycjonowania przy wykorzystaniu systemu EGNOS (dokładność, wiarygodność, ciągłość i dostępność sygnału). Analizy sygnałów GNSS uzyskane podczas wstępnych testów stacji monitorującej potwierdziły prawidłowy dobór jej lokalizacji. Stacja monitorująca lokalnie sygnał satelitów GPS oraz EGNOS pozwoli w konsekwencji na podniesienie bezpieczeństwa podczas lądowania statków powietrznych korzystających z procedur podejścia GNSS na lotnisku Aeroklubu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie. Efektem końcowym projektu Implementacja innowacyjnych technik satelitarnych GNSS na lotnisku Olsztyn-Dajtki będzie opracowanie procedury podejścia do lądowania w oparciu o GNSS. Streszczenie Artykuł przedstawia część zadań zrealizowanych w ramach projektu Implementacja innowacyjnych technik satelitarnych GNSS na lotnisku Olsztyn-Dajtki, dzięki któremu lotnisko jako jedno z pierwszych w Polsce będzie miało opracowane procedury podejścia instrumentalnego w/g GNSS. Jednym z celów projektu jest przeprowadzenie permanentnych badań i analiz mających na celu wyznaczanie parametrów charakteryzujących jakość pozycjonowania przy wykorzystaniu systemu EGNOS. Realizacja zadania wymaga m.in. budowy stacji monitorującej EGNOS na terenie Aeroklubu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie. Stacja pozwoli na scharakteryzowanie dokładności, wiarygodności, ciągłości oraz dostępności sygnałów systemu, którego głównym celem działania jest wsparcie dla aplikacji związanych bezpośrednio z bezpieczeństwem transportu lotniczego. Artykuł przedstawia proces wyboru lokalizacji oraz sposób stabilizacji stacji monitorującej sygnały GNSS na lotnisku. Stacja monitorująca lokalnie sygnał satelitów GPS oraz EGNOS pozwoli w konsekwencji na podniesienie bezpieczeństwa podczas lądowania statków powietrznych korzystających z procedur podejścia GNSS. GNSS - EGNOS reference station in the implementation process of landing procedures using satellite technology Abstract The article presents some of the tasks performed under the project "Implementation of innovative GNSS techniques at the airport Olsztyn Dajtki" whereby the airport as one of the first in Poland will develop 2780
instrument approach procedure using GNSS. One of the goals of the project is to carry out permanent research and analysis aimed at determining parameters characterizing the quality of the positioning using EGNOS. Implementation of the task requires set up of the EGNOS monitoring station in the Aeroclub of Warmia and Mazury in Olsztyn. Station will characterize the accuracy, integrity, continuity and availability of the system signals, with the main aim to support applications directly related to aviation safety. The article presents the process of selecting a location and method of establishing the monitoring station at the airport. The station will locally monitor GPS and EGNOS satellite signal, which allows consequently to increase safety during approach and landing using GNSS procedures. BIBLIOGRAFIA 1. Allien A., Taillander C., Capo C., Proselov K., Legenne J., Marechal J., Jeannot M., User Guide For EGNOS Application Development, 2009, ESA 2. Azaola-Saenz, M., Cosmen-Shortmann, J. (2009). Autonomous Integrity. Inside GNSS, 4, 28-36. 3. Estey L. H., Meertens C. M., (1999) TEQC: The Multi-Purpose Toolkit for GPS/GLONASS Data, GPS Solutions (pub. by John Wiley & Sons), Vol. 3, No. 1, pp. 42-49, doi:10.1007/pl00012778, 1999. 4. Horváth T., Leitmannová K., Nagl J., Kollo K., Wübbena G. (2008) Guidelines For Single Site Design, Version 2.1 4, Office of the International EUPOS Steering Committee c/o Senate Department for Urban Development III B Fehrbelliner Platz 1 D - 10707 Berlin, Germany 5. Misra P., Enge P. (2011) Global Positioning System : signals, measurements, and performance Ganga-Jamuna Press, Lincoln, Massachusetts 2011 6. Oliveira, J., Tiberius, C. (2009). Quality Control in SBAS: Protection Levels and Reliability Levels. The Journal of Navigation, 62, 509-522. 7. Tiberius, C., Odijk, D. (2008). Does the HPL bound the HPE? NAVITEC. Proceedings of NaviTec 08 workshop. ESA-Estec, Noordwijk, The Netherlands. 8. Walter, T., Blanch, J., Enge, P. (2007). L5 Satellite Based Augmentation Systems Protection Level Equations. Proceedings of the 2007 International Symposium on GPS/GNSS, Sydney, Australia. 9. Wanninger L.,(1999) The Performance of Virtual Reference Stations in Active Geodetic GPSnetworks under Solar Maximum Conditions, Proc. ION GPS 99, Nashville TN, 1419-1427 10. Wanninger, L., May, M. (2000): Carrier Phase Multipath Calibration of GPS Reference Stations. Proc. of ION GPS 2000, Salt Lake City, UT, 132-144. 11. Yang Y., Hatch R. R., Sharpe R. T. (2004) "GPS Multipath Mitigation in Measurement Domain and Its Applications for High Accuracy Navigation" Proceedings of the 17th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS 2004), Long Beach, CA, September 2004, pp. 1124-1130. 12. Yedukondalu K., Sarma A. D., Satya Srinivas V. (2011) Estimation and mitigation of GPS multipath interference using adaptive filtering, Progress In Electromagnetics Research M, Vol. 21, 133-148, 2011 2781