ALTERNATYWA DLA

DGPS W

LOTNICTWIE

Tradycyjne metody wyznaczania pozycji

samolotów wymagają 2 odbiorników DGPS, jeden
umieszczony w samolocie, drugi na pozycji o
znanych współrzędnych na ziemi. Grupa osób z
Boeinga poszukuje alternatywnych technologii
pozycjonowania w celu zmniejszenia kosztów
operacyjnych zapewniając przy tym wystarczającą
dokładność wyznaczania pozycji samolotu.

Większość lotów testowych odbywała się w

pobliżu

pasów

startowych

o

określonych

warunkach środowiskowych.

Ponieważ system DGPS wymaga odbiornika

na ziemi o znanych współrzędnych, to część
naziemna systemu musi być umieszczona przed
lotem. To wymaga dużej ilości testów, dużej ilości
startów i lądowań samolotu, wynagrodzeń dla
personelu,

kupna

i

konserwacji

drugiego

odbiornika.

2

WPROWADZ

ENIE

3

Testy trwały 9 dni, łącznie 33 godziny latania.

W celu sprawdzenia systemu w różnych warunkach
pogodowych testy odbywały się w zachodniej części
USA i możliwie w jak najwyższych szerokościach
geograficznych.

Testy

uwzględniały

wszelkie

manewry, jakie można wykonywać samolotem:
startowania, lądowania, zawracanie, pikowanie,
wznoszenie i lot na dużych wysokościach.

System DGPS Aircraft Position (DAP) zbiera

dane

z

dwuczęstotliwościowego

odbiornika

referencyjnego GPS w celu oszacowania poprawek.
Poprawki z odbiornika są zbierane i wykorzystywane
do poprawy pozycji samolotu. System DAP eliminuje
błędy pozycji satelitów, błędów zegara, jonosfery i
troposfery.

4

Poprzez

zamontowanie

anteny

(Gps+Lane-

BandAntenna) w samolocie, SBAS zapewnia dokładne
pozycjonowanie

w

czasie

rzeczywistym

dzięki

poprawkom do danych z GPS.

Stacja kontrolna zbiera informacje dotyczące orbit

satelitów, błędów chodu czasu zegara przez niezależną
sieć

stacji

referencyjnych

wyposażonych

w

dwuczęstotliwościowe odbiorniki. Stacje kontrolne
wyliczają poprawki do satelitów i przesyłają je w czasie
rzeczywistym

przez

geostacjonarne

satelity.

Oprogramowanie

zastosowane

w

odbiorniku

na

pokładzie samolotu uwzględnia te poprawki do pozycji
samolotu

dodając

poprawkę

jonosferyczną

i

troposferyczną.

SBAS

5

GEO (geostacjonarne satelity) dostarczają

informacje dotycząca orbity co 10 sekund. Gdy
pozycja satelity jest znana z dokładnością 20-30
metrów, a błąd chodu czasu zegara z dokładnością
nanosekundową, system może oszacować pozycję z
dokładnością

decymetra

bez

użycia

stacji

referencyjnych. Ta technika może być również
nazywana pozycjonowaniem precyzyjnym w czasie
rzeczywistym.

Jedna

z

wad

systemu

związaną

z

komercyjnego

użytku

SBASa

jest

potrzeba

statycznej inicjalizacji, aby otrzymać jak najlepsze
wyniki. To oznacza, że jeśli stracimy sygnał satelity
GPS, to odbiornik będzie wymagał 5 minut na
zdobycie poprawek do rozwiązania poprawnej
pozycji, taką jaką daje nam DAP. Czas inicjalizacji
zwiększa się, gdy samolot jest w ruchu.

6

Tabela

1

przedstawia

statyczny

okres

inicjalizacji i czas konwergencji do każdego z
lotów testowych. Aby spełnić wymagania
dotychczasowego systemu DAP, odbiornik musi
działać statycznie przez około 25 minut.

7

Rysunek 1 przedstawia wysokość samolotu i
odchylenie standardowe pozycji dla testu
003-03. W tym przypadku system SBAS
osiąga błąd poniżej 30cm, lecz nigdy
poniżej 10cm. Przyczyna tego może być zła
geometria satelitów podczas testu.

8

Sygnał z SBAS z GEO satelity można zostać
utracony do 2 minut. Podczas wszystkich
lotów testowych nie napotkano zaników
sygnału.

9

PPP

Jest metodą, która korzysta z ogólnoświatowej sieci

odbiorników GPS podobna do tej, co sieć SBAS, w celu
generowania

precyzyjnych

orbit

satelitów

GPS,

poprawek chodu zegara. Obecne oprogramowanie PPP
może być wykorzystane w celu zmniejszenia błędów
poprzez zastosowanie poprawek do chodu zegara,
poziomu oceanów i to pozwala na usunięcie
oszacowanego błędu chodu zegara odbiornika, by
osiągnąć jak najwyższa pozycję. Dokładność PPP
zależy od geometrii rozmieszczenia satelitów i sygnału
docierającego od satelity. Biuro logistyczne lotów musi
zaplanować lot tak ,by był dostępny sygnał satelitów
GPS oraz ich dobra geometria by skrócić czas
konwergencji. Do tego celu używa się narzędzia
mission planning.

10

Tabela 2 przedstawia czasy konwergencji PPP.

11

Używając tej metody nigdy nie został

utracony sygnał z satelitów, co ma znaczący wpływ
na otrzymane wyniki. Dane pokazują, że czas
konwergencji był krótki i jest porównywalny z
systemem DAP.

Rozwiązanie PPP korzysta z poprawek z

Centrum Wyznaczania Orbit (Center for Orbit
Determination in Europe (CODE)). Postprocessing
zapewnia przewagę nad rozwiązaniami w czasie
rzeczywistym systemu SBAS, jest mniej zależny od
wstępnej

inicjalizacji

statycznej,

łącząc

dwa

niezależne rozwiązania.

Podstawowa wadą metody PPP, związaną z

postprocessingiem, jest to, że skorygowane dane
pozycji nie są natychmiast dostępne. PPP wymaga
szybkich plików (rapidfiles) lub ostatecznych danych
(finalfiles), które są dostępne za pośrednictwem IGS

.

12

Szybkie pliki zawierają dane korekcji orbity z

interwałem 15minut i poprawki chodu czasu zegara
z interwałem 5 minutowym. Zaktualizowane pliki są
tworzone codziennie, a tworzą je niezależne agencje
posiadające swoje zestawy monitorujące.

Ostateczne pliki są aktualizowane co tydzień,

z opóźnieniem 12 dniowym. W każdym tygodniu
agencje IGS przedstawiają szybkie pliki do ośrodków
IGS w celu analizy, które są przetwarzane by
stworzyć ostateczny plik.

13

Analiza danych

Badania, na których opierają się analizy

dokładności wyznaczania pozycji, były oparte o
loty Boeinga 777 w przeciągu 9 dni w pobliżu 4
anten, o znanych współrzędnych umieszczonych w
portach lotniczych : Boeing Field (BFI) w Seattle w
stanie

Waszyngton,

Moses

Lake

w

stanie

Waszyngton (MWh), Colorado Springs w stanie
Colorado (COS) oraz Billings w stanie Montana
(BIL).

14

Na rys. 3 został przedstawiony tor lotu samolotu podczas testu.

15

Podczas

trwania

całego

testu

zostało

zapisanych

121355

punktów

z

interwałem

wynoszącym 1s, które zostały wykorzystane do
analiz. W celu sprawdzenia dokładności systemów
w różnych sytuacjach, zapisywane punkty dotyczyły
pozycji podczas startu samolotu, lądowania,
wznoszenia, opadania, zawracania, obrotów, jak i
również lotu na dużych wysokościach.

Wszystkie

dane

zostały

porównane

w

zależności od długości, szerokości geograficznej
oraz wysokości lotu. Łącznie 121355 wspólnych
punktów dla systemów SBAS, PPP i DAP dały 33,7h
danych.

16

Porównanie

dokładności

systemu SBAS z

DAP

Tabela 3 – różnice w określeniu pozycji samolotu

miedzy systemem DAP, a SBAS.

17

Tabela 4 – różnice w określeniu pozycji samolotu
miedzy systemem DAP, a SBAS w odniesieniu do
lokalizacji.

Tabela 5 – różnice w określeniu pozycji samolotu
miedzy systemem DAP, a SBAS w odniesieniu do
poszczególnych testów.

18

Porównanie

systemu PPP z DAP

Porównanie

systemu

PPP

z

DAB

zostało

przeprowadzone podczas testów samolotu Boeing
777.

W celu pokazania skuteczności systemu badania

zostały przeprowadzone również nad lotniskiem
Keflavik w Islandii.

19

Tabela 6 - porównanie pozycji otrzymanej przy
pomocy PPP z DAP

Tabela 7 – porównanie pozycji otrzymanej przy
pomocy PPP z DAP, w odniesieniu do lokalizacji

20

Tabela nr 11 - różnice pomiędzy pozycją
wyznaczaną przy pomocy systemu DAP, a PPP
uzyskaną nad lotniskiem w Keflavik.

21

Wnioski

Badania polegające na sprawdzeniu dokładności

systemów SBAS i PPP ukazują, że stosowana w
lotnictwie metoda DGPS może zostać przez nie
zastąpiona. Ma to istotny wpływ na koszty związane
z nawigacją lotniczą i koszty eksploatacyjne
odbiorników, ponieważ nowe metody nie wymagają
odbiornika referencyjnego zlokalizowanego na
ziemi

do

wyznaczenia

dokładnej

pozycji.

Rozwiązania SBAS i PPP okazały się na tyle
dokładne i wydajne, że z powodzeniem mogą
konkurować ze starszym systemem DAP.

22

Różnice w wyznaczaniu pozycji przez te

systemy w zależności od lokalizacji samolotu
wynosiły ok. 16cali na wschodzie, 6 cali na
północy i ok. 19 cali na wysokości. Tabela 12
zawiera zestawienie dokładności systemów SBAS i
PPP w stosunku do DAP.

Tabela 12

Wnioski cd.

23

Problem z osiągnięciem dokładnej pozycji

pojawia się na wysokich szerokościach, gdzie
często

występująca

słaba

geometria

rozmieszczenia satelitów uniemożliwia dokładne
pozycjonowanie. W celu zminimalizowania tego
zjawiska planuje się czas lotu tak, aby uzyskać
najlepszą

widoczność

satelitów

w

czasie

przelotu. Przeloty okołobiegunowe nie były
jeszcze realizowane, dlatego dokładności i
zachowanie się systemów w tych szerokościach
nie są jeszcze znane.

Wnioski

cd.

24

Dziękujemy za

uwagę 

Autorzy prezentacji: Ewa Cwalina, Łukasz Chmielewski, Paweł Huzarek, Arkadiusz

Orzoł