Nawigacja satelitarna obiektów transportowych

System GPS - jest satelitarnym systemem zapewniającym precyzyjne wyznaczanie trójwymiarowej pozycji geograficznej (szerokość, długość, wysokość) w dowolnym punkcie na świecie przez 24 godziny na dobę. System jest bardzo odporny na zakłócenia pogodowe, radiowe czy elektroniczne. Precyzja wyznaczania pozycji wynosi około 15 - 25 metrów. Błąd ten jest wywołany głównie zmianą prędkości rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w niejednorodnych warstwach jonosfery i troposfery. Do celów cywilnych dokładność została ograniczona do 100 m (w praktyce uzyskuje się jednak ok. 40 m) poprzez wprowadzenie zakłóceń. Dokładność taka jest w większości przypadków wystarczająca dla transportu.

W referacie przedstawiono metodę nawigacji satelitarnej transportowych obiektów ruchomych w systemie GPS. Na praktycznym przykładzie nadzorowania transportu pokazano zasadę działania systemu. Zaprezentowano także rodzaje odbiorników GPS stosowanych w różnych gałęziach transportu. Całość poprzedzono krótkim wstępem dotyczącym rozwoju systemów nawigacji w transporcie.

Ze względu na dynamiczno przestrzenny charakter produkcji transportowej, od zawsze istniała w transporcie kwestia określenia pozycji ruchomego obiektu transportowego i jego nawigacji we właściwym kierunku. Początek nawigacji wiąże się zatem już z wielkimi odkryciami geograficznymi, a więc z podróżami morskimi. Tego typu wyprawy należy zaplanować i wybrać najlepszą drogę dotarcia do celu. Nie można zdać się tylko na łaskę wiatrów i prądów morskich. Już wówczas szanujący się kupiec gotów był przeznaczyć spore środki na mapy i przyrządy nawigacyjne. Mapa z zaznaczonymi charakterystycznymi punktami na brzegu, kompas i podstawowa wiedza z trygonometrii wystarczały jednak tylko wówczas, gdy statek płynął w zasięgu widoczności lądu. Kiedy zaś statek tracił ląd z pola widzenia, jedyny punkt odniesienia przy wyznaczaniu pozycji stanowiły gwiazdy (w tym oczywiście słońce w ciągu dnia). Aby ustalić długość i szerokość geograficzną należało wówczas zmierzyć ich wysokość ponad horyzontem, znać dokładny czas oraz dysponować specjalnymi tablicami astronomicznymi. Niebo, jak i horyzont musiały być widoczne.

Dopiero w latach 20 uniezależniono pomiary od warunków pogodowych. Umożliwiały to radionamierniki. Brzegi mórz i oceanów obstawiono radiolatarniami, wysyłającymi sygnały rozpoznawcze alfabetem Morse'a, których zasięg sukcesywnie zwiększano. Radionamiernik, będący odbiornikiem określa kierunek, w którym znajduje się nadajnik - radiolatarnia. Najważniejszymi systemami radionawigacji są LORAN (LOng RAnge Navigation) i Omega. Ten ostatni zakończył działanie 30.09.1997r. Kolejnym krokiem było opracowanie systemu automatyzującego proces przeliczania tych namiarów na pozycje statku - DECCA. W 1983 roku opracowano system transmisji komunikatów morskich NAVTEX, którego podstawę stanowi sieć radionadajników umieszczonych w większych portach (zasięg ok. 400 mil, w nocy 1000 mil). Komunikaty mają postać tekstową (zazwyczaj w języku angielskim). Systemem, objęta jest cała żegluga przybrzeżna, a korzystanie z niego jest bezpłatne. W systemie przekazywane są ostrzeżenia nawigacyjne, sztormowe, meldunki lodowe, rybackie, ratunkowe (w tym o piractwie), o przewidywanym ruchu statków oraz komunikaty nawigacyjne w systemach LORAN, DECCA, Omega. Systemy radionamiaru zawodziły jednak w dużej odległości od brzegów i były niezbyt dokładne. W zastosowaniach militarnych niekorzystna była możliwość łatwego zniszczenia łańcuchów radiolatarni przez wroga.

Wystrzelenie w 1957 roku pierwszego sztucznego satelity Ziemi Sputnika oraz opracowanie przez naukowców z Uniwersytetu Johna Hopkinsa metody śledzenia położenia satelity poprzez nasłuch jego sygnałów radiowych zaowocowało powstaniem nowej możliwości nawigacji: znając pozycje satelity w danym momencie, można wyznaczyć pozycję dokonującego pomiar. Ten pomysł realizował uruchomiony już w 1964 roku wojskowy system TRANSIT, który w 1967 r. udostępniony został cywilom. Korzystał on z efektu Doplera, sygnału radiowego emitowanego przez przelatującego satelitę. Pomiar był możliwy co ok. 40 min., a odbiornik podczas pomiaru musiał być nieruchomy. Było to niekorzystne dla transportu. W 1973 r. opracowano doskonalszy system Navstar GPS (Global Positioning System) udostępniony dla celów cywilnych w 1983 r. (pełną sprawność system uzyskał dopiero w 1995r.). obecnie wykorzystuje on 24 satelity obiegające Ziemię oraz dwa zapasowe na Ziemi gotowe do wystrzelenia. Zapewniają one nieprzerwany sygnał radiowy dostępny na całym globie, a korzystanie z niego jest bezpłatne. Operatorem systemu jest Departament Obrony USA, który może w każdej chwili wyłączyć system, jeśli wymaga tego interes obrony USA. Sygnał dla celów cywilnych jest zakłócany, co umożliwia uzyskanie dokładności rzędu 100m. Taka dokładność jest niewystarczająca do naprowadzania rakiet na cel. Dodatkowo wszystkie cywilne odbiorniki mają blokadę działania po wykryciu, że poruszają się z prędkością większą niż 1500 km/h, co uniemożliwia montaż takiego odbiornika w samolocie bojowym lub w rakiecie. Od 1982 roku w fazie rozruchu znajduje się rosyjski system Glonass (Globalnaja Navigacjonnaja Sputnikowaja Sistema), który nie będzie zakłócany, a jego dokładność wyniesie od 3 do 7 metrów. Składać się on będzie z 21 satelitów i trzech zapasowych. Producenci sprzętu zapowiadają odbiorniki odbierające dane z obu systemów jednocześnie.

Początkowo nawigacja satelitarna dotyczyła - podobnie jak poprzednio przedstawione metody przede wszystkim transportu morskiego. Wynikało to z dużych rozmiarów terminali oraz anten satelitarnych. Przy dużym postępie technicznym możliwa się stała ogromna miniaturyzacja odbiorników, co rozszerzyło zakres stosowania tej metody nawigacji na wszelkie gałęzie transportu, a także na „transport pieszy” - odbiorniki osobiste. Szybko rozwijające się w latach 80-tych i 90-tych systemy łączności satelitarnej, oferujące usługi publiczne (np. Inmarsat, Iridium) często są także nośnikiem sygnałów nawigacyjnych w systemach GPS czy Glonass, a także LORAN i DECCA. Nadto, rozszerzają one możliwości nawigacji w zakresie dokładności i zasięgu, dysponując większą ilością satelitów o lepszych parametrach technicznych. W dalszej części referatu skoncentruje się na systemie GPS, jako jedynym na razie mającym pełną sprawność operacyjną i globalny zasięg.

Zasada działania systemu GPS przedstawię na praktycznym przykładzie nadzorowania przewozów

Nadzorowanie transportu z wykorzystaniem GPS

W zastosowaniu tym ruchomy obiekt transportowy ustala swoją pozycję wykorzystując pokładowy odbiornik GPS. Dane o aktualnej pozycji przekazywane są łączami satelitarnymi do lokalnej stacji radiokomunikacyjnej przy wykorzystaniu pokładowego terminala pracującego w danym systemie łączności satelitarnej, np. Inmarstat-C, a stamtąd w systemie łączności naziemnej do systemu informatycznego centrum nadzoru ruchu. Gdy obiekt porusza się w zasięgu bezprzewodowych systemów komunikacji naziemnej, np. sieci komórkowych, można wykorzystać je do tego celu zamiast droższej łączności satelitarnej. Przekazywane informacje mogą zostać uzupełnione o dane dotyczące parametrów ruchu pojazdu (np. prędkość, prędkość średnia, poziom paliwa, zużycie paliwa itp.). wymaga to sprzężenia terminala z komputerem pokładowym pojazdu. Ponadto możliwa jest transmisja sygnałów alarmowych, faksów, teleksów czy głosu w zależności od możliwości terminala (telefonu), w który wyposażony jest pojazd. Działanie nawigacji satelitarnej polega na pomiarze odległości między odbiornikiem a satelitą, który porusza się po stałej, ściśle wyznaczonej orbicie. Znana odległość od satelity lokuje odbiornik na sferze o promieniu równym zmierzonej odległości. Wyznaczenie odległości od dwóch satelitów lokuje odbiornik na okręgu będącym przecięciem dwóch sfer. Pomiar odległości od trzech satelitów wyznacza już tylko dwa punktu, w których może się znajdować odbiornik. Jeden z tych punktów można wykluczyć, jako znajdujący się zbyt wysoko lub poruszający się zbyt szybko - drugi z punktów wyznacza więc faktyczną pozycję odbiornika. Następnie wystarczy już tylko zmierzyć odległość od satelitów emitujących sygnały, co można zrobić z centymetrową dokładnością. Dokonuje się tego poprzez pomiar czasu. Dzięki atomowym zegarom, w które wyposażony jest każdy satelita możliwa jest dokładna synchronizacja wysyłanego sygnału. Odbiornik musi zmierzyć tylko opóźnienie sygnału odebranego z poszczególnych satelitów. Jednak ponieważ odbiornik GPS ma tylko zegar kwarcowy, niemożliwe jest precyzyjne określenie czasu (z dokładnością do 1*10^-9 sekundy) dysponując tylko sygnałem otrzymanym z satelitów, z których każdy podaje inny czas. Dlatego też odbiera się sygnał nie z trzech, ale z czterech satelitów. Można wówczas wyliczyć zarówno rzeczywisty czas, jak i położenie odbiornika rozwiązując układ czterech równań z czterema niewiadomymi.

Na tej samej zasadzie działają wprowadzone na świecie systemy monitorowania pojazdów. W Polsce operatorem Ogólnopolskiego Systemu Monitorowania Pojazdów jest firma Boguard. Systemy te wykorzystują telefonie komórkową, której zasięg na ogół pokrywa ważniejsze arterie komunikacyjne. Za pomocą łącz komórkowych przekazywane są do centrali informacje o położeniu pojazdu. Systemy takie tworzy się z zamiarem zapewnienia bezpieczeństwa kierowców na drogach (napady) i zapobieżenia kradzieżom aut. Z tego względu istnieją tu dodatkowe możliwości, jak na przykład informowanie centrali o próbie włamania do samochodu, sygnalizowanie obecności niepowołanej osoby w jego wnętrzu, zdalne unieruchomienie silnika pojazdu, zamknięcie drzwi oraz uruchomienie syreny alarmowej włącznie z natychmiastowym powiadomieniem policji. Wymaga to oczywiście zainstalowania dodatkowych urządzeń tak w samochodzie jak i w samej centrali.

W czasach kiedy podstawowym zastosowaniem systemu GPS była nawigacja pełnomorska dokładność rzędu 100 m była zawsze wystarczająca. Przy rosnącej liczbie rozmaitych zastosowań systemu GPS (także i pozatransportowych - o czym dalej) przestała wystarczać. Opracowaną prostą metodę rozwiązania problemu zakłócania sygnału. Nosi ona nazwę DGPS (Differential GPS) i traktowana jest jako wariant systemu GPS. Opiera się ona na następującej obserwacji: jeśli ustawimy specjalny, nieruchomy odbiornik GPS (tzw. bazę korekcyjną) w punkcie o znanych współrzędnych, to na skutek celowego zakłócenia sygnału GPS oraz wpływu warstw atmosfery pozycja tego punktu wyznaczona przez odbiornik będzie się ciągle zmieniać. Wystarczy obliczyć różnicę między pozycję zmierzoną przez odbiornik a jego znaną pozycją rzeczywistą, aby otrzymać wektor błędu. Otrzymane w ten sposób dane korekcyjne odejmuje się od danych odbieranych przez ruchome odbiorniki GPS przeprowadzające pomiary w terenie. W ten sposób nie tylko niweluje się błąd celowo wprowadzony przez zakłócenie, ale również błędy wynikające z niejednorodności atmosfery. Oczywiście obliczona w ten sposób pozycja jest tym dokładniejsza, im bliżej bazy korekcyjnej jest odbiornik dokonujący pomiarów. Wynika to po pierwsze z niejednorodności wzdłużnej warstw atmosfery i różnych warunków atmosferycznych w różnych rejonach - dane korekcyjne wyznacza się dla odczytu w konkretnej pozycji, w której znajduje się baza, a po drugie - w mniejszym stopniu - wpływa na to opóźnienie danych korekcyjnych względem odbieranych przez ruchomy odbiornik danych nawigacyjnych, które zwiększa się wraz z odległością odbiornika od bazy. Jak wskazuje praktyka w odległości kilkunastu kilometrów od bazy można dokonywać pomiarów z centymetrową dokładnością, natomiast w odległości paruset kilometrów - z metrową.

System DGPS ma istotne zastosowanie w transporcie. Znacznie rozszerza on możliwości nadzoru ruchu. Otóż wzdłuż ważnych szlaków komunikacyjnych umieszcza się dobiorniki korekcyjne, które drogą radiową na odpowiednich częstotliwościach nadają sygnały korygujące błąd.

Nadzorowanie transportu z wykorzystaniem DGPS

Ruchomy obiekt transportowy wyposażony musi być wówczas w dodatkowy odbiornik tych sygnałów. Za pomocą terminala satelitarnego skorygowane dane dotyczące położenia obiektu przekazywane są do naziemnej stacji radiokomunikacji satelitarnej, a stamtąd do centrum nadzoru ruchu. Najczęściej jednak ten sposób znajduje swoje zastosowanie w portach morskich. Starodawna metoda nawigacji satelitarnej zapewnia zbyt małą dokładność, by wystarczała ona do manewrowania statkiem po ciasnych i zatłoczonych korytarzach przy wchodzeniu do portu, zwłaszcza po zmroku czy we mgle. W portach ustawia się zatem korekcyjne odbiorniki GPS i podaje się do wiadomości ich częstotliwości. Jest nawet specjalne zalecenie korzystania z tych sygnałów wydane ze względu na olbrzymie zagrożenie ekologiczne powodowane kolizjami różnego rodzaju tankowców. Rozważa się także wprowadzenie obowiązku stosowania DGPS na niektórych szlakach wodnych, na przykład na bardzo trudnej dla żeglugi rzece Św. Wawrzyńca. System DGPS wprowadzono także w transporcie lotniczym. Odbiornik korekcyjny o znanej częstotliwości umieszczony jest na terenie lotniska. Dokładna nawigacja podczas manewru lądowania umożliwia przyjmowanie samolotów podczas gęstej mgły i nie sprzyjających warunków atmosferycznych. Od 1991r. stosowanie systemu jest zalecane przez Międzynarodową Organizację Lotnictwa Cywilnego (ICAO). Możliwość lądowania w każdych niemal warunkach ma także znaczący wymiar ekonomiczny i czasowy (logistyka) zarówno w przewozach cargo jak i pasażerskich.

System GPS znalazł wiele innych zastosowań nie związanych z nawigacją. W transporcie wodnym i powietrznym bardzo szybko odbiorniki GPS znalazły zastosowanie, jako precyzyjne mierniki prędkości. Dotychczasowe metody pozwalały na pomiar prędkości względem środowiska - wody czy powietrza. Odbiornik GPS, wyznaczający położenie w postaci szerokości i długości geograficznej w sposób bezpośredni może służyć do wyznaczania prędkości względem Ziemi.

Z czasem okazało się, że możliwości systemu GPS są znacznie większe i wykraczają znacznie poza te, o których myśleli projektanci systemu. Znaleziono zastosowania pozatransportowe. Okazało się, że odbiornik GPS jest bardzo dokładnym wzorcem czasu, wykorzystującym atomowe zegary satelitów - satelita transmituje także aktualny czas i datę. Zamiast używać w laboratoriach drogich czasomierzy, instaluje się tam odbiorniki GPS.

Prawdziwy przełom jednak stanowi GPS w kartografii. Aby nanieść na mapę np. drogę wystarczy przebyć ją samochodem wyposażonym w odbiornik GPS. W ten sposób powstały na przykład nowe mapy Wojska Polskiego.

Przykład odbiorników

Odbiornik samochodowy - Street Pilot: dokładne wskazanie kierunku jazdy w oparciu o uproszczone elektroniczne mapy na kartach (zawierają współrzędne wielu obiektów), odłączalna antena zewnętrzna, odbieranie sygnału nawet w wąskich ulicach pomiędzy wysoką zabudową, podświetlany ekran, zasilanie z sześciu paluszków na 16 h pracy, łatwy montaż na desce rozdzielczej samochodu.

Odbiornik morski - GPSMAP 210: wyświetlanie „ruchomej” mapy, duży podświetlany ekran (kolorowy w bliźniaczym modelu 220), bogate możliwości nanoszenia na mapę własnych oznaczeń, alarm kotwiczny - sygnalizacja zbytniego oddalenia się od danego punktu; sygnalizacja zejścia z trasy, alarm czasowy, pamięć 500 punktów lub 30 tras.

Odbiornik turystyczny - GPS 38: dokładność 45 m, jeden odczyt na sekundę, pamięć 250 punktów lub 20 tras, krokomierz, wbudowana antena, podświetlany ekran, zasilanie z czterech paluszków na 20 h pracy, podtrzymanie pamięci przez 10 lat, wodoszczelna obudowa wypełniona azotem, małe wymiary, mały ciężar, najtańszy na rynku.

Odbiornik lotniczy - GPS 250XL: wyświetlanie „ruchomej” mapy, podświetlany ekran, wbudowana baza lotnisk Jeppansena wraz z częstotliwościami latarni oraz gniazdem na karty uaktualniające, planowanie trasy z uwzględnieniem uzupełniania paliwa, przeznaczony do montowania w panelu.

Odbiorniki te używane są wyłącznie do nawigacji, a więc stosowane w transporcie, a dokładniej w przemieszczaniu.

Reasumując należy stwierdzić, że nawigacja obiektów transportowych stała się dostępna już dla każdej gałęzi transportu i stanowi dla przewoźnika, spedytora, firmy logistycznej czy jakiegokolwiek innego podmiotu, który wykorzystuje w swojej działalności tabor transportowy, stosunkowo tani sposób na bardziej efektywne zarządzanie przewozami. Jest to też sposób na wzbogacenie świadczonych usług na konkurencyjnym rynku, wyznaczającą nową jakość w kształtowaniu tak ważnej w działalności transportowej więzi z klientem powierzającym ładunek do przewozu. Rozwój telekomunikacyjny sieci satelitarnych na przestrzeni ostatnich lat dodatkowo zwiększył dostępność do usług systemu GPS, podnosząc jednocześnie ich jakość. Przygotowane do wprowadzenia są nowe systemy nawigacji satelitarnej. U schyłku XX wieku globalne systemy pozycjonowania stały się dobrem powszechnego użytku.

8

Szukasz gotowej pracy ?

To pewna droga do poważnych kłopotów.

Plagiat jest przestępstwem !

Nie ryzykuj ! Nie warto !

Powierz swoje sprawy profesjonalistom.

---