Systemy wspomagania nawigacji satelitarnej

Satelitarne systemy wspomagające SBAS (ang. Satellite Based Augmentation System)

Podstawową cechą satelitarnych systemów wspomagających jest to, że poprawki różnicowe przesyłane są do użytkowników przez satelity telekomunikacyjne.

Systemy SBAS składają się z:

- sieci naziemnych stacji referencyjnych, odbierających sygnały satelitów;

- stacji głównych (centralnych, nadzoru), przetwarzających sygnały ze stacji referencyjnych, oraz obliczających poprawki przesyłane do użytkowników;

- stacji utrzymujących łączność z satelitami;

- satelitów geostacjonarnych przekazujących poprawki z stacji głównych do użytkowników.

Rys. 7.4. Zasada działania satelitarnych systemów wspomagających [4]

Rys. 7.5. Rejony działania systemów SBAS [2]

WAAS - Wide Area Augmentation System

System ten stworzono do wspomagania systemów nawigacji satelitarnej. WAAS (ang. Wide Area Augmentation System) to System Wspomagający na Dużym Obszarze. Został on zbudowany na terenie USA na potrzeby lotnictwa. Segment naziemny systemu składa się z 25 współpracujących ze sobą naziemnych stacji referencyjnych WRS (ang. Wide Area Reference Station). Stacje te odbierają sygnały z satelitów i przesyłają je do stacji głównej WMS (ang. Wide Area Master Station). Stacja główna przetwarza dane i określa wartość poprawek. Obliczone poprawki dzięki stacją GUS (ang. Grodnu Uplink System) są przekazywane do satelitów geostacjonarnych.

Segment kosmiczny sytemu WAAS składa się z dwóch satelitów PanAmSat Galaxy 15 (PRN 135) i Telesat Anik F1R (PRN 138). Swoją pracę rozpoczęły 01.08.2007 r. zastępując wcześniej wykorzystywane satelity Inmarsat [9].

Rys. 7.6. Zasięg sygnałów satelitów systemu WAAS [43]

Poprawki systemu WAAS mają za zadanie skompensowanie trzech największych, co do wartości błędów: błąd jonosfery, zegara i efemeryd satelitów. Ponieważ błędy zegara są błędami szybko zmieniającymi się w czasie, poprawki dla nich są uaktualniane co 60 s. Natomiast błędy jonosfery i efemeryd wolno zmieniają się w czasie, więc poprawki dla nich uaktualniane są co 2 minuty. Poprawki zegara i efemeryd dotyczą określonego położenia odbiornika natomiast poprawka jonosferyczna dotyczy określonego położenia odbiornika. W tym celu obszar kuli ziemskiej podzielono na dziewięć sektorów o szerokości 40o każdy, a w każdym sektorze wyróżniono ok. 200 punktów. Stacja główna oblicza poprawki z sygnałów otrzymanych od stacji referencyjnych i wysyła je do satelitów. Dzięki systemowi WAAS dokładność wyznaczania pozycji wzrasta do ok. 3 m [2, 4, 31 ].

MSAS - Multi Function Transport System

MSAS - satelitarny system transmisji poprawek różnicowych obejmuje swoim zasięgiem przestrzeń lotniczą wokół Japonii. Zarządzany jest przez Japońskie Biuro Lotnictwa Cywilnego JCAB (ang. Japanese Civil Aviation Bureau) oraz Japońską Agencję Meteorologiczną JMA (ang. Japan Meteorological Agency). System ten wspomaga zarządzanie ruchem powietrznym na obszarze Japonii poprzez wspomaganie nawigacji, nadzór przestrzeni powietrznej a także łączność. Służy on również do przekazywania informacji głosowych oraz innych informacji pomiędzy samolotami a wieżą kontroli ruchu powietrznego, a także bezpośredniej łączności między samolotami. Umożliwia także automatyczną lokalizację statków powietrznych i przekaz tych informacji kontrolerom ruchu lotniczego. System używany jest również do przekazywania na Ziemię wyników obserwacji meteorologicznych. MSAS działa na podobnej zasadzie jak system WAAS. Nadaje sygnały odległości w formacie sygnałów GPS, poprawki pseudoodległości satelitów GPS oraz informacje o statusie i wiarygodności danych.

Segment naziemny składa się z Centralnej Stacji Nadzoru MCS (ang. Master Control Station) znajdującej się w Tokio, stacji monitorowania i pomiaru odległości od satelitów MRS (ang. Monitor and Ranking Stations) znajdujące się w Australii i na Hawajach. Stacji monitorujących GMS (ang. Ground Monitor Stations) w Sapporo, Fukuoka, Naha, Tokio. Segment kosmiczny natomiast składa się z dwóch geostacjonarnych satelitów MTSAT-1R i MTSAT-2 [2, 4 ].

EGNOS - European Geostationary Navigation Overlay Service

System ten stworzono do wspomagania systemów nawigacji satelitarnej. Przede wszystkim systemu GPS, ale także GLONASS oraz budowanego Galileo. System ten został stworzony przez trzy instytucje: Komisję Europejską (EC), Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) i Europejską Agencję Bezpieczeństwa Nawigacji Lotniczej (Eurocontrol). Pod względem działania jest on podobny do systemu WASS. Swoim zasięgiem obejmuje obszar Europy, a w dalszych zamierzeniach także południową Azję.

EGNOS ma służyć zwiększeniu wiarygodności i dokładności wyznaczania pozycji, być źródłem informacji o czasie UTC oraz w lotnictwie aby umożliwić lądowania w CAT-1. Czas otrzymywania informacji o poprawności działania systemu oraz ostrzeżenie o jego awarii ma wynosić do 6 sekund.

Segment naziemny systemu składa się z czterech centrów nadzoru (MCC - Mission (Master) Control Centres): we Włoszech (Ciampino), Wielkiej Brytanii (Swanwick), Niemczech (Lagen) i Hiszpanii (Torrejon). Do transmisji informacji ze stacji nadzoru do satelitów będzie użyte sześć stacji NLES (ang. Navigation Land Earth Stadion) rozmieszczonych we Francji, Włoszech, Wielkiej Brytanii, Niemczech, Portugalii i Hiszpanii. Dodatkowo dwie stacje wspomagające we Francji i Hiszpanii będą monitorować działanie systemu. 34 stacje pomiarowo-obserwacyjne RIMS (ang. Ranging and Integrity Monitoring Stations) odczytujące depesze nawigacyjne z satelitów GPS. Rozmieszczonych na obszarze Europy, Afryki, Ameryki Południowej, Indii i Kanady.

Do transmisji poprawek użytkownikom wykorzystywane są trzy satelity. Dwa z nich to satelity Inmarsat: jeden umieszczony nad Oceanem Atlantyckim, a drugi nad Oceanem Indyjskim. Trzeci z nich satelita Artemis znajduje się nad Afryką. Numery PRN tych satelitów wynoszą 120, 126, i 124.

Rys. 7.7. Rozmieszczenie stacji naziemnych systemu EGNOS [43]

System EGNOS działa w następujący sposób. Stacje RIMS odbierają sygnały i informacje z widocznych satelitów systemu GPS (w przyszłości także GLONASS i GALILEO). Informacje te przekazują do stacji nadzoru, w której, na ich podstawie obliczane są poprawki różnicowe odległości od satelitów, opóźnienia jonosferyczne oraz efemerydy satelitów geostacjonarnych. Następnie obliczone poprawki wysyłane są do satelitów geostacjonarnych w formacie RTCA 229. Satelity systemu EGNOS na częstotliwości L1 C/A nadają poprawki pseudoodległości oraz informacje o stanie systemu. Dodatkowo użytkownicy mają możliwość obliczenia pseudoodległości od satelitów geostacjonarnych systemu EGNOS [1, 2, 3, 15, 31 ].

QZSS - Quasi-Zenith Satellite System

QZSS (ang. Quasi-Zenith Satellite System lub Jun-Ten-Cho) - system ten ma powstać w Japonii. Ma on być odpowiedzią na zapotrzebowanie japońskiego rynku samochodów oraz telefonii komórkowej i innych urządzeń na możliwość dokładnego wykonywania pomiarów pozycji za pomocą systemów nawigacji satelitarnej.

Głównym założeniem systemu jest to, aby wysokość topocentryczna przynajmniej jednego satelity umieszczonego nad wyspami japońskimi wynosiła co najmniej 70o. Dzięki temu system ma zapewnić lepszą dostępność w obszarach zabudowanych niż system MSAS, którego wysokość topocentryczna satelitów wynosi 45o. Dokładność wyznaczania pozycji ma wynosić ok. 1 metr.

System ten ma składać się ze stacji śledzącej sprawującej nadzór nad satelitami QZSS, 8 stacji monitorujących satelity QZSS, 25 stacji monitorujących satelity GPS oraz 20 zlokalizowanych na terenie Japonii i 10 poza Japonią stacji zbierających dane troposferyczne Segment kosmiczny składać ma się z trzech satelitów umieszczonych na orbicie geosynchronicznej. Planuje się że pierwszy satelita zostanie umieszczony na orbicie w 2009 r. [2, 23 ].

Inne i planowane systemy SBAS

C-WAAS (ang. Canadian WAAS) - rozszerzenie systemu WAAS obejmujące obszar Kanady i znajdujące się na jej terenie stacje referencyjne.

GAGAN (ang. GPS and GEO Augmented Navigation) - planowany indyjski system SBAS. Ma on zostać uruchomiony w 2010 r.

SNAS (ang. Chinese Satellite Navigation Augmentation System) - planowany Chiński system SBAS.

Systemy wspomagania satelitarnego

Zadaniem systemów wspomagania satelitarnego (SBAS - Satellite Based Augmentation System) jest zwiększania precyzji i dokładności pomiarów przeprowadzanych z wykorzystaniem globalnych systemów nawigacji satelitarnych (GPS, GLONASS, Galileo itp.). 

Dzięki funkcjonowaniu systemów wspomagania satelitarnego zdecydowanej poprawie ulegają podstawowe parametry nawigacyjne systemów nawigacji satelitarnej tj.:

• dokładność, czyli zdolność systemu do określania pozycji mierzonego obiektu w granicach dopuszczalnego błędu systemu,

• wiarygodność, która określa poziom zaufania do dostarczanej przez system informacji,

• ciągłość, czyli zdolność systemu (satelitów) do nieprzerwanej pracy podczas całego swojego przelotu nad horyzontem użytkownika 

• dostępność określaną jako prawdopodobieństwo pełnienia usług nawigacyjnych w dowolnym momencie. 

Istotną cechą systemów wspomagania satelitarnego (SBAS - Satellite Based Augmentation System) jest ich kompatybilność. Obok  systemu EGNOS wyróżnić jeszcze możemy pionierski, amerykański system WAAS (Wide Area Augmentation System) oraz japońskiMSAS (Multifuncional Satellite Based Augmentation System). Są to systemy regionalne, jednakże na mocy porozumienia MOPS (Minimum Operational Performance Standards), transmitowane przez nie informacje mają taką samą strukturę. Dlatego też odbiorniki "rozumieją" zawartość odbieranych sygnałów niezależnie od systemu, który je emituje. Kooperacja ta powoduje także znaczący wzrost terenowej dostępności ich sygnałów, a w połączeniu z planowanymi ulepszeniami systemów satelitarnych umożliwi w przyszłości rzeczywisty, globalny serwis nawigacji satelitarnej.

EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)

Budowany przez Europejską Agencję Kosmiczną, Komisję Europejską i EUROCONTROL europejski system satelitarny wspomagający systemy GPS i GLONASS, a w przyszłości Galileo.

Głównym celem działania systemu EGNOS jest dostarczanie informacji "ulepszających" dane generowane przez systemy globalnej nawigacji satelitarnej. Dzięki funkcjonowaniu EGNOS zdecydowanej poprawie ulegają podstawowe parametry nawigacyjne systemów GPS i GLONASS, tj. dokładność, czyli zdolność systemu do określania pozycji mierzonego obiektu w granicach dopuszczalnego błędu systemu z prawdopodobieństwem 95%, wiarygodność, która określa poziom zaufania do dostarczanej przez system informacji, ciągłość, czyli zdolność systemu (satelitów) do nieprzerwanej pracy podczas całego swojego przelotu nad horyzontem użytkownika i dostępność określaną jako prawdopodobieństwo pełnienia usług nawigacyjnych w dowolnym momencie. 

Pełna operacyjność systemu została osiągnięta w październiku 2009 r.

WAAS (Wide Area Augmentation System) - amerykański satelitarny system wspomagający system NAVSTAR-GPS. Za pośrednictwem dwóch satelitów geostacjonarnychobejmujących terytorium Stanów Zjednoczonych transmituje do odbiorników GPS poprawki kompensujące błędy jonosfery, zegara i efemeryd. Zwiększa to dokładność wyznaczenia pozycji poziomej przez odbiornik GPS do 2-3 m.

MSAS - japoński system wspomagania satelitarnego

Pierwszy satelita japońskiego systemu MSAS (Multifuncional Satellite-Based Augmentation System) został wyniesiony na orbitę w lutym 2005 roku, a kolejny rok później. Aktualnie trwają testy systemu; w pomiarach przeprowadzonych od 21 do 31 grudnia 2005 r. uzyskano dokładności poziome od 5,3 do 0,8 m przy dostępności sygnału 95 %. Wspólnym kierunkiem ewolucji istniejących systemów SBAS jest dążenie do poszerzania ich zasięgu poprzez budowę nowych stacji referencyjnych. Inna istotna cecha systemów wspomagania satelitarnego to ich kompatybilność. WAAS, EGNOS i MSAS to systemy regionalne, jednakże na mocy porozumienia MOPS (Minimum Operational Performance Standards) transmitowane przez nie informacje mają taką samą strukturę. Dlatego też odbiorniki "rozumieją" zawartość odbieranych sygnałów niezależnie od systemu, który je emituje. Kooperacja ta powoduje także znaczący wzrost terenowej dostępności ich sygnałów, a w połączeniu z planowanymi ulepszeniami systemów satelitarnych umożliwi w przyszłości rzeczywisty, globalny serwis nawigacji satelitarnej.