Nawigacja satelitarna

Nawigacja satelitarna Warszawa, 17 lutego 2015 Udział systemów nawigacji w wybranych działach gospodarki - aspekty bezpieczeństwa i ekonomiczne efekty Ewa Dyner Jelonkiewicz ewa.dyner@agtes.com.pl Tel.607459637 AGTES S.A. Mangalia 4, 02-758 Warszawa www.agtes.com.pl

Wstęp Wbrew powszechnemu przekonaniu coś takiego jak globalny system lokalizacji i łączności nie istnieje. Wiele z systemów używa w nazwie globalny ale nie ma to nic wspólnego z rzeczywistością. Zbudowanie globalnego systemu działającego w czasie rzeczywistym dającego 100% pokrycia powierzchni globu z zapewnieniem w czasie rzeczywistym próbkowania interesujących nas wielkości, choć technicznie możliwe, nie byłoby ekonomicznie zasadne. Żaden z istniejących systemów administracyjnych nie byłby w stanie sprawnie zarządzać tak wielką ilością pozyskanych danych oraz zapewnić niezakłócony przepływ tych danych drogą elektroniczną. Buduje się więc systemy ograniczone, silnie zorientowane zadaniowo i zapewnia przepływ informacji do adresatów. Organizacje administracji narodowych i ponadnarodowych oraz instytucje komercyjne zarządzają informacjami pozyskiwanymi z systemów. Aktualny stan techniki pozwala na zbudowanie każdego systemu kontrolującego interesujące nas zjawiska w ramach dostępnych osiągnięć technologicznych. Trzeba pamiętać, że zawsze w każdym systemie współdziałają ze sobą systemy nawigacji, lokalizacji, łączności i szeroko rozumianej metrologii. Dla osiągnięcia zamierzonych efektów bardzo ważnym jest prawidłowe określenie potrzeb i właściwy dobór środków technicznych. Istotne jest aby na etapie projektowania systemu przewidzieć zadania, jakie ma spełniać i nie obciążać go nadmiarowo dodatkowo nadmiarowymi funkcjami

Narzędziami do realizacji systemów są systemy satelitarne i naziemne. Narzędziami do realizacji systemów są systemy satelitarne i naziemne. Poniższy rysynek przedstawia usytuowanie wysokości orbit satelitów co ma istotne znaczenie dla zasięgu i dokładności w systemach.

Orbity LEO (Low Earth Orbit) to orbity znajdujące się na wysokości od 500 do 2000 km ponad Ziemią. MEO (Medium Earth Orbit) orbity znajdujące się na od 8 do 12 tys. km. wysokości nad powierzchnią Ziemi. GEO (Geostationary orbit) to orbity o wysokości 35 786 km nad płaszczyzną równikową. Precyzyjne umieszczenie satelity na takiej orbicie sprawia, iż ma on prędkość kątową równą prędkości kątowej obracającej się Ziemi. HEO (Highly Eliptical Orbit) - orbity charakteryzujące się kształtem wyraźnie eliptycznym. Ich perygeum wynosi około 500 km, apogeum natomiast nawet 50 tys. km. Ilość satelitów Przykładowe Rodzaj wymagana do Opóźnienie systemy Wysokość orbity [km] pełnego pokrycia orbity transmitowanego działające na powierzchni sygnału [ms] poszczególnych Ziemi orbitach GEO 35 786 3-4 600-800 VSAT, Inmarsat HEO 500-50000 2-10 do 500 LEO 500-2000 kilkadziesiąt (ok. 40) 50 Globalstar, Teledesic MEO 8000-12000 10-15 150 Orblink

Podział funkcjonalny satelitów

Nawigacja satelitarna Nawigacja satelitarna to gałąź nawigacji, wykorzystująca wysyłane przez sztuczne satelity fale radiowe w celu wyznaczania aktualnej pozycji użytkownika na ziemi. Pierwszym w swym założeniu globalnym systemem nawigacji satelitarnej był TRANSIT. Satelity umieszczane były na okołobiegunowych orbitach LEO około 1100 km ponad Ziemią. Czas pełnego obiegu wokół Ziemi mieścił się w granicach 120 minut. W celu zapewnienia pełnego pokrycia powierzchni Ziemi przez system konieczna była współpraca przynajmniej pięciu satelitów. Z uwagi na swoje liczne wady i niedoskonałości system Transit zakończył działalność w roku 1996 i został ostatecznie zastąpiony przez GPS. Pierwszym radzieckim globalnym systemem nawigacji satelitarnej był CYKLON. Jego założenia pod względem funkcjonalnym opracowane zostały w latach 50-tych XX wieku. W związku z opracowaniem i eksploatacją systemu CYKLON wykonano 31 startów w latach od 1967 do 1978.

Współczesne systemy nawigacji satelitarnej GPS jest najbardziej rozpoznawalnym i najpowszechniej wykorzystywanym obecnie systemem nawigacji satelitarnej. Funkcjonuje jako jeden z systemów nawigacji satelitarnej obejmujących swoim zasięgiem całą kulę ziemską. Jest on owocem prac Departamentu Obrony Stanów Zjednoczonych. Na system GPS składają się trzy segmenty: segment kosmiczny zespół 31 satelitów umieszczonych na średniej orbicie okołoziemskiej; segment naziemny - stacje kontrolne i monitorujące umieszczone na Ziemi segment użytkownika wyposażeni w odbiorniki użytkownicy systemu Rosyjskim odpowiednikiem systemu GPS jest GLONASS - system nawigacji satelitarnej o zasięgu globalnym. Rozpoczęcie budowy systemu GLONASS miało miejsce 1 grudnia 1976 w ZSRR. Założeniem systemu było równomierne rozmieszczenie na trzech okołoziemskich orbitach w sumie 24 satelitów. Liczbę tą osiągnięto po raz pierwszy pod koniec roku 1995. Ze względu na niższą od zakładanej żywotność satelitów (przeciętnie 3 lata) oraz niestabilność ekonomiczną Rosji pod koniec XX wieku, liczba ta w roku 2001 osiągnęła zaledwie 6 sprawnych satelitów.. Ponowne osiągnięcie pełnej funkcjonalności przez system GLONASS nastąpiło w dniu 8 grudnia 2011 roku.

Współczesne systemy nawigacji satelitarnej c.d. Francuskim systemem nawigacji satelitarnej jest oparty na zjawisku Dopplera DORIS. Jedną z jego głównych właściwości jest bardzo precyzyjne określanie orbit satelitów. Jest on także zaawansowanym systemem wyznaczania pozycji. Stosuje się go w satelitach altymetrycznych i teledetekcyjnych, więc wykorzystywany jest do wyznaczania wielkości topograficznych m.in. badając stan wód na powierzchni Ziemi i pola sił ciężkości. System jest źródłem informacji niezbędnych do badań w dziedzinie m.in. geodezji i geofizyki. Chińskim satelitarnym systemem nawigacyjnym, tymczasowo obejmującym swym zasięgiem jedynie obszar Azji jest Beidou (Wielka Niedźwiedzica). Planowany jest on finalnie jako system globalny. Aktualnie eksploatowanym systemem jest Beidou-2 w skład którego wchodzi obecnie 16 satelitów. Pierwszy satelita tworzący szkielet systemu wystrzelony został w 2007 roku. System ten docelowo będzie składał się z 35 satelitów geostacjonarnych rozmieszczonych na średniej wysokości orbitach. Udostępniona użytkownikom komercyjnym dokładność wyznaczania pozycji ma wynosić w przybliżeniu 10 metrów, a pomiar prędkości ma być prowadzony z dokładnością do 0,2 m/s. Według zapewnień chińskich władz Beidou pełną funkcjonalność ma osiągnąć w 2020 roku.

Współczesne systemy nawigacji satelitarnej c.d. Budowany przez Unię Europejską pod nazwą GALILEO globalny system nawigacji satelitarnej ma być w swym zamyśle konkurencją dla dwóch najlepiej obecnie funkcjonujących systemów: GPS i GLONASS. W przeciwieństwie do pozostałych jest przewidziany głównie do zastosowań cywilnych. Ma on na celu zapewnienie lepszej jakości i dokładności danych dotyczących lokalizacji i czasu. System świadczył będzie szereg wymienionych usług: Usługa ogólnodostępna (Open Service) darmowe, ogólnodostępne wyznaczanie czasu i pozycji. Usługa bezpieczeństwa życia (Safety of Life Service) darmowa usługa wspomagająca ratowanie życia na wodzie i w powietrzu. Usługa komercyjna (Commercial Service) płatne wyznaczanie czasu i pozycji o zwiększonej dokładności. Usługa publiczna o regulowanym dostępie (Public Regulated Service PRS) umożliwia precyzyjne, szyfrowane wyznaczanie lokalizacji i czasu, z użyciem środków gwarantujących ciągłość usługi. Usługa dedykowana głównie organom administracji publicznej. Usługa poszukiwania i ratowania (Search and Rescue Service) umożliwia precyzyjną lokalizację niebezpieczeństwa z użyciem komunikacji dwustronnej pomiędzy użytkownikiem a stacją operatora usługi.

Wyznaczanie pozycji Do podziału metod nawigacji przyjęto dwa podstawowe kryteria: kryterium aktywności i kryterium przebiegu sygnału. Wyróżnia się systemy jednokierunkowe typu uplink (Ziemia - kosmos) oraz downlink (kosmos- Ziemia) oraz systemy dwukierunkowe. Systemy aktywne wymagają od użytkownika wysyłania sygnałów, systemy pasywne natomiast jedynie jego odbioru. Trzy największe systemy mające tworzyć GNSS ( GPS, GLONASS, Galileo) mają charakter pasywny jednokierunkowy (użytkownik odbiera jedynie sygnał pochodzący z kosmosu). Zasadą, na której opiera się funkcjonowanie nawigacji satelitarnej jest wiedza na temat odległości pomiędzy odbiornikiem, a satelitą znajdującym się na orbicie okołoziemskiej. W celu wyznaczenia pozycji użytkownika konieczna jest znajomość odległości między jego odbiornikiem, a przynajmniej trzema satelitami. Znając odległość pomiędzy jednym satelitą, a użytkownikiem możemy jedynie stwierdzić, że jego odbiornik jest w miejscu umieszczonym na powierzchni sfery, której promień równy jest tej odległości. Znając natomiast odległość pomiędzy dwoma satelitami, a użytkownikiem możemy określić, że użytkownik jest na okręgu, tworzonym przez dwie nachodzące na siebie sfery o promieniach równych dystansowi pomiędzy użytkownikiem, a satelitami tworzącymi ten system.

Obszary wykorzystania nawigacji satelitarnej Transport lotniczy Transport morski i rybołówstwo Transport lądowy Rolnictwo Ekologia Geodezja Kartografia Geologia Medycyna Ratownictwo Gospodarka przestrzenna Meteorologia Usługi pocztowe i cargo Bezpieczeństwo publiczne i personalne Wojsko, służby mundurowe Administracja

Działanie systemów nawigacyjnych w transporcie morskim i powietrznym jest powszechnie zrozumiałe. Wykorzystanie nawigacji satelitarnej w dziale transportu lądowego dynamicznie zmienia się wraz z rozwojem techniki. TRANSORT LĄDOWY Systemy nawigacji pojazdów Systemy kontroli flot pojazdów Systemy te kontrolują parametry eksploatacji pojazdów z wspomagają zarządzanie flotami. Systemy antykradzieżowe śledzenia pojazdów Kontrola ruchu w aglomeracjach Informacja o korkach ulicznych

ROLNICTWO Używanie maszyn rolniczych z nawigacja pozwalających na kontrolę precyzji prac polowych Informacje Meteorologiczne Monitorowanie stanu upraw m.in. na potrzeby administracji (dopłaty rolne) EKOLOGIA Wykrywanie i lokalizacja wycieków Kontrola emisji gazów Kontrola populacji szkodników Monitorowanie równowagi ekosystemów

GEODEZJA i KARTOGRAFIA Usprawnienie sporządzania map cyfrowych na podstawie danych z systemów kosmicznych zrewolucjonizowało aktualną geodezję i kartografie. Kontrola procesów budowlanych Kontrola budynków wysokościowych (stały monitoring odchyleń) GEOLOGIA Śledzenie zjawisk zachodzących w skorupie ziemskiej np. wulkanów, przewidywanie kataklizmów na podstawie obserwacji skorupy ziemskiej

MEDYCYNA Dynamicznie rozwijająca się medycyna na odległość. Zarządzanie flotami transportu RATOWNICTWO

GOSPODARKA PRZESTRZENNA Badanie zawartości różnych substancji w atmosferze Wyznaczanie terenów zalewowych Przewidywanie powodzi i innych klęsk żywiołowych METEOROLOGIA Dziedzina głównie zarządza Europejska organizacja Eksploatacji Satelitów meteorologicznych EUMETSAT Z osiągnięć meteorologii szeroko korzystają: rolnictwo, transport i gospodarka przestrzenna

USŁUGI POCZTOWE I CARGO BEZPIECZEŃSTWO PUBLICZNE I PERSONALNE WOJSKO I SŁUŻBY MUNDUROWE

Podsumowanie Udział systemów nawigacyjnych ma miejsce we wszystkich gałęziach gospodarki Szereg programów Unii Europejskiej poprzez agendy zajmujące się różnymi gałęziami gospodarki stymuluje rozwój i zwiększenie efektywności ekonomicznej podmiotów gospodarczych

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ