PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO nr 22 AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI 2008 JACEK JANUSZEWSKI Akademia Morska w Gdyni Katedra Nawigacji PROBLEMY EKSPLOATACYJNE NAWIGACYJNYCH SYSTEMÓW SATELITARNYCH, ICH KOMPATYBILNOŚĆ I MIĘDZYOPERACYJNOŚĆ W artykule przedstawiono problem kompatybilności i międzyoperacyjności nawigacyjnych systemów satelitarnych (NSS): GPS, GLONASS, Galileo i Compass oraz satelitarnych systemów wspomagających (SBAS), w szczególności EGNOS i QZSS. Pod uwagę wzięto sygnały satelitarne (częstotliwość nośną, modulowanie i kodowanie sygnałów, depeszę nawigacyjną), układy odniesienia i czas systemu. Ponadto omówiono technikę wielodostępu z podziałem częstotliwości (FDMA) i podziałem kodowym (CDMA). WPROWADZENIE Pod koniec pierwszej dekady XXI wieku coraz więcej dziedzin gospodarki na całym świecie nie może prawidłowo funkcjonować bez nawigacyjnych systemów satelitarnych (NSS). Obecnie jedynym w pełni operacyjnym systemem jest amerykański system GPS (Global Positioning System). Ze względu na znacznie mniejszą od nominalnej (24) liczbę satelitów operacyjnych, bo tylko kilkanaście, rosyjski system GLONASS (Global Navigation Satellite System) nie umożliwia nieprzerwanego określania pozycji użytkownika w dowolnym punkcie na kuli ziemskiej. Ma to jednak nastąpić w 2009 roku. Kolejne dwa systemy, Galileo i Compass, znajdują się na etapie budowy, odpowiednio przez Europę i Chiny. Ich oddanie do eksploatacji przewidywane jest na 2012 rok [5,6,11]. We wszystkich wymienionych systemach określanie pozycji użytkownika w zdecydowanej większości wypadków polega na pomiarze pseudoodległości dzielącej go od użytkownika. Wiele parametrów techniczno-eksploatacyjnych jest również takich samych, ale co najmniej kilka, i to bardzo istotnych w procesie określania pozycji, różni je w sposób zdecydowany. W każdym 27
bowiem systemie jest lub przynajmniej będzie inny czas systemu, inny układ odniesienia, inne parametry sygnału satelitarnego; różne też są techniki wielodostępu do kanału radiokomunikacyjnego. Równolegle z NSS funkcjonują systemy je wspomagające (SBAS), jak system EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) obejmujący swoim zasięgiem Europę. Przez Japonię budowany jest natomiast od podstaw system QZSS (Quazi Zenith Satellite System). Jednoczesna eksploatacja dwu, trzech lub więcej spośród wymienionych systemów nasuwa pytanie, jaka jest ich kompatybilność (compatibility) i międzyoperacyjność (interoperability). Przez kompatybilność należy rozumieć zdolność dwu lub więcej systemów, bądź ich składowych, do realizacji stawianych przed nimi zadań przy korzystaniu przez każdego z nich z tego samego oprogramowania, względnie oprzyrządowania. Z kolei pod pojęciem międzyoperacyjności należy rozumieć zdolność omawianych systemów, bądź ich składowych, do wymiany między sobą różnego rodzaju informacji i ich dalszego wykorzystania [7, 12]. Wśród parametrów techniczno-eksploatacyjnych NSS, różnych w różnych systemach, można wyróżnić te, które bezpośrednio lub pośrednio wpływają na proces określania pozycji użytkownika, decydując jednocześnie o jej dokładności (tab. 1). Do parametrów tych z pewnością można zaliczyć parametry związane z sygnałem satelitarnym (np. liczba częstotliwości nośnych i transmitowanych kodów, istnienie bądź nie serwisu komercyjnego lub sygnałów dotyczących wiarygodności, łączność międzysatelitarna) oraz parametry decydujące o liczbie satelitów widocznych przez antenę odbiornika użytkownika powyżej dolnej przyjętej wysokości topocentrycznej (np. liczba orbit, ich wysokość i kąt inklinacji, liczba satelitów na jednej orbicie i ich rozmieszczenie). Wybrane parametry wszystkich czterech wymienionych wyżej systemów porównano pod kątem ich kompatybilności i międzyoperacyjności. 1. UKŁAD ODNIESIENIA WSPÓŁRZĘDNYCH We wszystkich NSS stosowanym układem odniesienia współrzędnych jest układ globalny. Dokładność pozycji użytkownika zależy więc również od błędów jakimi obarczone są poszczególne parametry przyjętych w nich elipsoid odniesienia. W systemie GPS stosowany jest układ WGS 84 (World Geodetic System 84); do stycznia 1987 r. obowiązywał układ WGS 72. Układ WGS 84 obowiązywać ma do 2010 roku, kiedy to ma zostać zastąpiony nowym, o nieznanych jeszcze parametrach. 28
W systemie GLONASS współrzędne pozycji użytkownika określane są w układzie PZ 90.02 (Parametry Zemli 1990); do września 2007 r. w układzie PZ 90. Pierwotnym układem tego systemu, obowiązującym do 1993 roku, był SGS 85 (Soviet Geodetic System 1985). W systemie Galileo obowiązywać będzie własny układ odniesienia GTRF (Galileo Terrestrial Reference Frame), który podobnie jak układ WGS 84 będzie niezależną realizacją Naziemnego Międzynarodowego Układu Odniesienia ITRS (International Terrestrial Reference Frame). O układzie dla systemu Compass brak jak dotąd jakichkolwiek wiadomości [8, 9, 10]. Wybrane parametry techniczno-eksploatacyjne nawigacyjnych systemów satelitarnych Tabela 1 Parametr GPS GLONASS Galileo Compass 6 (w przyszłości 6 MEO Liczba orbit 3 3 może 3) + GEO Liczba satelitów 5 na MEO 4 6 8 9 + 1 na jednej orbicie 5 na GEO Wysokość orbity [km] 20 183 19 100 23 616 nieznana Kąt inklinacji [ O ] 55 64,8 56 nieznany Nominalne rozmieszczenie satelitów na orbicie nierównomierne równomierne nierównomierne nieznane Czas systemu GPST GLOT GST nieznany Układ odniesienia WGS 84 PZ 90.02 GTRF nieznany Technika wielodostępu CDMA FDMA CDMA CDMA Liczba transmitowanych kodów jeden na serwis i satelitę jeden na serwis i częstotliwość jeden na serwis i satelitę nieznana Częstotliwość nośna [MHz] styczeń 2008 planowana Łączność międzysatelitarna blok satelitów Sygnały dotyczące wiarygodności 1575,42 1227,60 1575,42 1227,60 1176,45 II, IIa, IIR: nie IIF, III: tak II, IIa, IIR: nie IIF, III: tak 1602 1615,5 1246 1256,5 1598 1604 1242 1247 1190 1212 1176,45 obecnie: nie M i K: tak obecnie i M: nie K: tak 1575,42 1278,75 1207,14 1176,45 nie tak 1589,74 1561,10 1268,52 1207,14 nieznana nieznane Serwis komercyjny nie nie tak nieznany Z uwagi na stosowanie w wymienionych systemach różnych układów, w odbiornikach zintegrowanych, określających swą pozycję za pomocą dwu lub więcej systemów, zachodzi konieczność przeliczania współrzędnych z jednego układu do drugiego. 29
W tabeli 2 zestawiono wybrane parametry związane z układami odniesienia WGS 84 i PZ 90. O ile prędkość obrotowa Ziemi jest dla obydwu systemów taka sama, to wartość parametru grawitacyjnego jest różna, gdyż zależy od przyjętych w USA i Rosji wartości stałej grawitacji i masy Ziemi. Wybrane parametry związane z układami WGS 84 i PZ 90 Tabela 2 Parametr WGS 84 PZ 90 Duża półoś elipsoidy odniesienia [m] Mała półoś elipsoidy odniesienia [m] Odwrotność biegunowego spłaszczenia elipsoidy odniesienia Parametr grawitacyjny [ 10 14 m 3 s -2 ] Prędkość obrotowa Ziemi [ 10-6 rad s -1 ] 6 378 137 6 378 136 6 356 752,314245 6 356 751,302 298,257223563 298,257 3,986004418 3,9860044 7 292 115 7 292 115 2. CZAS SYSTEMU W systemie GPS stosowany jest własny czas GPST, który różni się od UTC zgodnie z zależnością: GPST UTC = n s τ 0 (1) gdzie n oznacza całkowitą liczbę sekund (sekund atomowych), zaś τ 0 nieznaną co do wartości odchyłkę rzędu kilku mikrosekund. Czas w obu skalach był równy w dniu 5 stycznia 1980 roku. Z uwagi jednak na to, że GPST, w przeciwieństwie do UTC, nie jest korygowany sekundami przestępnymi, różnica między nimi nieprzerwanie wzrasta. W dniu 1 stycznia 2006 roku zachodziła zależność: GPST 2006 UTC 2006 = + 14 s (2) Odbiór sygnałów z satelity GPS umożliwia znajomość nie tylko UTC, ale również TAI (Time Atomic International) z dokładnością nie gorszą niż jedna mikrosekunda. W systemie GLONASS, tak jak w systemie GPS, obowiązuje własny czas GLOT określany na podstawie wskazań sieci lądowych wzorców wodorowych. Ze względu na fakt, że czasem odniesienia jest dla niego czas moskiewski, 30
a w przeciwieństwie do systemu GPS GLOT uwzględnia sekundy przestępne, relację między nim a UTC opisuje następująca zależność: GLOT = UTC + 3 godziny τ c (3) gdzie τ c określa odchyłkę wynikającą z niestabilności użytych wzorców czasu, nieprzekraczającą kilku mikrosekund. Informacja o jej bieżącej wartości przekazywana jest w depeszy nawigacyjnej. W systemie Galileo stosowany będzie własny czas GST (Galileo System Time) związany z UTC. Różnica między TAI i GST ma być znana z dokładnością nie gorszą niż 28 ns (2 sigma) pod warunkiem znajomości TAI z sześciotygodniowym wyprzedzeniem. Odbiór sygnałów z satelity Galileo umożliwi dla każdego 24-godzinnego przedziału znajomość UTC z dokładnością nie gorszą niż 30 ns (95%). W porozumieniu zawartym w 2004 roku między USA a Unią Europejską omówiono również problem międzyoperacyjności systemów GPS i Galileo, w tym również czasów. Przewiduje się, że różnica między GPST i GST, z pominięciem całkowitej liczby sekund, będzie znana z bardzo dużą dokładnością, bo 5 ns (2 sigma) [8, 9, 10, 12]. 3. TECHNIKA WIELODOSTĘPU DO KANAŁU RADIOWEGO Wszyscy użytkownicy NSS wykorzystują to samo pasmo częstotliwości, dlatego też jednoznaczny dostęp do kanału radiowego zapewnia technika wielodostępu z podziałem kodowym CDMA (Code Division Multiple Access), bądź z podziałem częstotliwości FDMA (Frequency Division Multiple Access). Pierwsza z nich stosowana jest w systemach GPS oraz Galileo i ma być stosowana w budowanym obecnie systemie Compass, druga zaś w systemie GLONASS. W tej sytuacji nasuwa się pytanie, która technika jest lepsza i w przyszłości powinna być uznana za obowiązującą we wszystkich systemach [1, 7]. Porównanie tych dwóch obecnie stosowanych technik wielodostępu przemawia jednoznacznie na korzyść CDMA, gdyż technika FDMA wymaga bardziej zaawansowanego technicznie i jednocześnie droższego, w porównaniu z CDMA, odbiornika użytkownika. Ponadto jakość pomiarów przeprowadzanych w technice FDMA, w szczególności pomiarów fazy fali nośnej, jest w większości przypadków gorsza niż w technice CDMA. Z uwagi na to, że międzyoperacyjność sygnałów satelitarnych mogą zapewnić tylko te NSS, które pracują na tych samych częstotliwościach nośnych, jedyną techniką 31
wielodostępu do kanału radiokomunikacyjnego jest technika CDMA. Dlatego też nie można mówić o międzyoperacyjności sygnałów systemu GLONASS i sygnałów systemów GPS oraz Galileo, gdyż sam system GLONASS nie jest jak dotąd systemem międzyoperacyjnym [1, 7]. 4. KOMPATYBILNOŚĆ I MIĘDZYOPERACYJNOŚĆ W literaturze specjalistycznej znane są różne definicje kompatybilności i międzyoperacyjności. Kompatybilność kojarzy się przede wszystkim z kompatybilnością elektromagnetyczną, mówiąc natomiast o międzyoperacyjności należy zawsze wziąć pod uwagę czego ona dotyczy. Na przykład międzyoperacyjność NSS oznacza, że różne systemy zapewniają jedno rozwiązanie, którego dokładność jest nie gorsza niż każdego z nich, z kolei międzyoperacyjność sygnałów satelitarnych że satelity różnych systemów emitują takie sygnały, które w odbiorniku użytkownika mogą być wspólnie wykorzystane w procesie określania jego pozycji, prędkości i czasu. Dzięki kompatybilności i międzyoperacyjności NSS i SBAS mogą pojawiać się na rynku odbiorniki przystosowane do odbioru sygnałów dwu i więcej systemów. Na ich podstawie można określić pozycję użytkownika o parametrach dokładnościowych lepszych niż gdyby pozycję tę określono z sygnałów tylko jednego systemu. Do odbiorników takich można między innymi zaliczyć: GGR 24 firmy SPIRIT DSP, przystosowany do odbioru sygnałów z dwu NSS GPS i GLONASS, SiRF stariii firmy Technology umożliwiający odbiór sygnałów GPS i wszystkich trzech SBAS WAAS, MSAS i EGNOS, AsteRx1 firmy Septentrio, przystosowany do odbioru sygnałów z dwu NSS GPS i Galileo oraz dwóch SBAS WAAS i EGNOS, NET G3 firmy Topcon, umożliwiający odbiór sygnałów z trzech NSS GPS, GLONASS i Galileo. Trzy systemy: SBAS WAAS, MSAS i EGNOS zostały stworzone jako satelitarne systemy wspomagające system GPS, w związku z czym poprawki różnicowe dotyczą pomiarów przeprowadzonych na częstotliwości L1 tego ostatniego, czyli 1575,42 MHz i na tejże częstotliwości przekazywane są użytkownikom przez satelity geostacjonarne. W tabeli 3 zestawiono obecnie funkcjonujące i przewidywane w przyszłości wybrane cztery parametry sygnału satelitarnego, czas systemu oraz układ odniesienia dla trzech par systemów: GPS i Galileo, GPS i QZSS oraz GPS i GLONASS dziś i w przyszłości. Międzyoperacyjność dla wszystkich sześciu 32
parametrów ma miejsce jedynie dla GPS i QZSS oraz dla częstotliwości, modulacji czasu i układu odniesienia dla pary GPS i Galileo. W odniesieniu do pary GPS i GLONASS wszystkie parametry obecnie się różnią, a przyszłość stoi pod znakiem zapytania [1, 2, 7, 13]. Międzyoperacyjność wybranych nawigacyjnych systemów satelitarnych Tabela 3 Sygnał satelitarny Parametr GPS & Galileo GPS & QZSS GPS & GLONASS (obecnie) GPS & GLONASS (w przyszłości) częstotliwość? modulacja? kodowanie? depesza nawigacyjna? Czas systemu? Układ odniesienia? Znajomość parametrów obecnie funkcjonujących oraz budowanych NSS i SBAS pozwala stwierdzić, że kompatybilność i międzyoperacyjność tych systemów dotyczy lub prawdopodobnie będzie dotyczyła następujących zagadnień: w wypadku systemów GPS i Galileo miedzyoperacyjność ich sygnałów polega między innymi na tym, że w obu systemach dwie częstotliwości nośne 1575,42 MHz i 1176,45 MHZ są takie same, odpowiednio L1 i E2 L1 E1 oraz L5 i E5a, międzyoperacyjność systemów GPS i Galileo polega między innymi na tym, że oba te systemy, wykorzystując te same częstotliwości nośne, zapewniają ogólnodostępny, bezpłatny serwis dla wszystkich użytkowników, odpowiednio SPS i OS, w systemie QZSS przewiduje się, że jego sygnały będą nadawane na tych samych częstotliwościach co systemy GPS i Galileo, co zapewni ich międzyoperacyjność, w wypadku systemów GPS i Galileo można mówić o międzyoperacyjności ich sygnałów przeznaczonych dla użytkowników wojskowych bądź/i uprzywilejowanych, gdyż częstotliwość L1 (1575,42 MHz) jest tą, na której sygnały satelitów bloku IIR M systemu GPS, a w przyszłości również IIF, modulowane są kodem M, i jednocześnie tą na której w systemie Galileo nadawany jest szyfrowany sygnał nr 8 zapewniający serwis PRS, 33
międzyoperacyjność sygnałów GLONASS i Galileo ma zapewnić w przyszłości między innymi częstotliwość 1207,14 MHz, która będzie taka sama w obu systemach, odpowiednio L3 i E5b, międzyoperacyjność sygnałów systemów GLONASS i GPS ma zapewnić w przyszłości między innymi częstotliwość 1176,45 MHz, która będzie taka sama w obu systemach, równa L5. 5. POROZUMIENIA MIĘDZYNARODOWE Kompatybilność i międzyoperacyjność NSS oraz ich sygnałów możliwa jest tylko w przypadku pełnej współpracy między instytucjami sprawującymi nadzór nad funkcjonowaniem bądź budową danego systemu. Z uwagi na to, że w przypadku systemów GPS i GLONASS są to instytucje wojskowe, wszelkie porozumienia dotyczące wspólnego wykorzystywania tych dwóch systemów są zawierane przez instytucje rządowe zainteresowanych państw, czyli odpowiednio USA i Federacji Rosyjskiej. Wszystko też wskazuje na to, że o wszelkich sprawach związanych z budowanym przez Chiny systemem Compass należy rozmawiać wyłącznie z władzami w Pekinie. Z kolei w stosunku do systemów Galileo i EGNOS budowanych przez firmy i koncerny wielu państw, kompetentną instytucją jest Unia Europejska, a w praktyce jej właściwe organy i komisje. O systemach wspomagających WAAS i QZSS oficjalnie wypowiadają się odpowiednio administracja amerykańska oraz konsorcjum firm japońskich budujących ów system [2, 3, 4, 8]. 26 czerwca 2004 roku w Irlandii, na szczycie Unii Europejskiej, zostało zawarte porozumienie między Unią i USA określające zasady przyszłego funkcjonowania budowanego przez Europę systemu Galileo i modernizowanego systemu GPS, które mają pracować jednocześnie w tym samym czasie. Ponadto określono warunki korzystania z obu systemów, takie same dla użytkowników cywilnych jak i wojskowych. Wątpliwość strony amerykańskiej budził bowiem fakt, że w systemie Galileo sygnał nr 8, przewidziany dla potrzeb serwisu PRS (Public Regulated Sevice), ma być nadawany na częstotliwości 1575,42 MHz, czyli tej samej na której w systemie GPS satelity bloku IIR M, a w przyszłości również bloku IIF, nadają sygnały zmodulowane kodem M (L1M) zarezerwowanym wyłącznie dla użytkowników wojskowych. Obie strony podpisujące porozumienie ustaliły między innymi również, że w depeszy nawigacyjnej nadawanej przez satelitę, zarówno systemu GPS, jak i systemu Galileo, znajdzie się informacja o odchyłce czasowej dzielącej czasy obu tych systemów oraz że zostaną podjęte kroki zapewniające kompatybilność częstotliwości nośnych trzeciej generacji systemu GPS (GPSIII) i systemu 34
Galileo nie tylko w obecnej wersji, ale także przewidywanej drugiej generacji [8, 12]. 8 grudnia 2004 roku ukazała się dyrektywa administracji amerykańskiej dotycząca problematyki kompatybilności i międzyoperacyjności systemu GPS i przyszłych NSS, zwłaszcza systemów Compass i Galileo. Kilkanaście miesięcy później, bo 25 maja 2006 roku wielki koncern amerykański Lockheed Martin i europejskie konsorcjum EADS (European Aeronautic Defence and Space) oznajmiły o podpisaniu porozumienia mającego zapewnić międzyoperacyjność programów dotyczących GPSIII i Galileo, ze szczególnym uwzględnieniem oprzyrządowania i oprogramowania [14]. Władze Federacji Rosyjskiej również prowadzą rozmowy z odpowiednimi instytucjami w USA i Unii Europejskiej w celu zapewnienia kompatybilności systemu GLONASS, odpowiednio z systemem GPS i Galileo. Problemy związane z kompatybilnością i międzyoperacyjnością NSS są już od kilku lat tematem licznych konferencji, sympozjów i artykułów w literaturze specjalistycznej. WNIOSKI KOŃCOWE 1. Warunkiem optymalnego, jednoczesnego wykorzystania dwu i więcej NSS, umożliwiającego bieżące określanie pozycji użytkownika z możliwie jak najmniejszym błędem, jest wprowadzenie jednego, wspólnego dla wszystkich systemów układu odniesienia i czasu systemu. 2. Międzyoperacyjność sygnałów satelitów NSS, jak i samych NSS, nie może oznaczać, że struktura sygnałów wszystkich NSS ma być taka sama. 3. Warunkiem międzyoperacyjności sygnałów satelitów NSS jest ta sama, bądź te same częstotliwości nośne. 4. Warunkiem międzyoperacyjności systemów Galileo, GLONASS, GPS i Compass jest taka sama technika wielodostępu sygnałów. Stanie się to możliwe wtedy, gdy na orbitach znajdą się pierwsze satelity GLONASS K transmitujące sygnały L1CR i L5R z techniką CDMA. 5. Kompatybilność NSS oznacza nie tylko wzrost efektywności każdego NSS, ale w przyszłości także możliwość ich zintegrowania w jeden system światowy GNSS (Global Navigation Satellite System). 6. Międzyoperacyjność NSS oznacza, że pełne wykorzystanie całości informacji (pomiary pseudoodległości, depesza nawigacyjna itp.) z wszystkich dostępnych w danych warunkach NSS prowadzi zawsze do lepszych rezultatów niż w przypadku, gdy wykorzystuje się informacje z jednego, dowolnie wybranego systemu. 35
LITERATURA 1. Hatch R., Is (or will be) the Russian GLONASS system interoperable with the other GNSS, Munich Satellite Navigation Summit, Munich 2007. 2. Hein G.W., GNSS Interoperability: Achieving a Global System of Systems or Does Everything Have to be the Same? Inside GNSS, Vol. 1, No.1, 2006. 3. Hein G.W., Avila Rodriguez J.A., Combining Galileo PRS and GPS M Code, Inside GNSS, Vol. 1, No. 1, 2006. 4. Hein G.W., et al., Envisioning a Future GNSS System of Systems, Part 2, Inside GNSS, Vol. 2, No. 2, 2007. 5. Januszewski J., Satellite Navigation Systems Today and in the Future, 10 th Conference TransComp, Zakopane 2006. 6. Januszewski J., Modernization of Satellite Navigation Systems and theirs new maritime applications, Monograph TransNav 2007, Gdynia 2007. 7. Januszewski J., Compatibility and Interoperability of Satellite Navigation Systems, 11 th Conference TransComp, Zakopane 2007. 8. Kaplan E.D., Hegarty C.J., Understanding GPS Principles and Applications, Artech House, Boston/London 2006. 9. Misra P., Enge P., Global Positioning System Signals, Measurements, and Performance, Ganga Jamuna Press, Lincoln 2006. 10. Seeber G., Satellite Geodesy, de Gruyter, Berlin, New York 2003. 11. Spaans J., The Munich GNSS Summit 2007, European Journal of Navigation, Vol. 5, No. 2, 2007. 12. http://en.wikipedia.org 13. www.glonass-ianc.rsa.ru 14. www.lockheedmartin.com SATELLITE NAVIGATION SYSTEMS, PARAMETERS STANDARDS AND COMPATIBILITY AND INTEROPERABILITY (Summary) The problem of compatibility and interoperability of satellite navigation systems (SNS), as GPS, GLONASS, Galileo and Compass and satellite based augmentation systems (SBAS), as EGNOS and QZSS in particular, is described in the paper. The parameters of all theses systems, as signal in space (frequency, modulation, code, data messages), time reference frame and coordinate reference frame, are taken into account also. Additionally the remarks concerning the question of the use of FDMA (Frequency Division Multiple Access) and CDMA (Code Division Multiple Access) will be given in the paper. 36