1.Zdefiniuj kierunkowe (kątowe) i odległościowe parametry nawigacji morskiej.

PODSTAWOWE PARAMETRY NAWIGACJI MORSKIEJ

Prędkość/czas GS lub VOG = Ground Speed lub Velocity Over Ground - prędkość nad dnem VMG = Velocity Made Good - prędkość w kierunku żądanego kursu ETA = Estimated Time of Arrival - przybliżona godzina przybycia do celu (o godzinie 0200) ETE = Estimated Time of Enroute - przybliżony czas dojścia (za 2 godziny)

Kierunki DTK = Desired Track - żądany kurs BRG = Bearing - kierunek od bieżącej pozycji do WPT2 (namiar na punkt celu) CTS = Course To Steer - kurs na ster, zalecany kierunek mający na celu zmniejszenie XTK CMG = Course Made Good - namiar między WPT1 i bieżącą pozycją TRK = Track - kierunek ruchu w stosunku do pozycji nad dnem ( rzeczywistej) TRN = Turn - różnica pomiędzy BRG i TRK ( L-Left(w lewo); R - Right( w prawo)

Odległości RNG = Range - odległość DMG = Distance Made Good - przebyta droga od WPT1 XTK = CrossTrack Error - odległość zejścia z żądanej drogi ATD = Along Track Distance - odległość między WPT1 i WPT2

TYPY NAWIGACJI MORSKIEJ:

• Dead reckoning (DR) – metoda obliczeniowa

• Piloting - pilotaż

• Celestial navigation – astronawigacja

• Radio navigation - radionawigacja

• Radar navigation – nawigacja radarowa

• Satellite navigation – nawigacja satelitarna

2.Ogólna zasada działania oraz opis systemu EGNOS.

EGNOS (ang. European Geostationary Navigation Overlay Service) – budowany przez Europejską Agencję Kosmiczną, Komisję Europejską i EUROCONTROL europejski system satelitarny wspomagający (ang. SBAS – Satellite Based Augmentation System) systemy GPS i GLONASS, a w przyszłości Galileo. Najważniejsze zadania to transmisja poprawek różnicowych i informowanie o awariach systemu GPS. System znacznie zwiększy dokładność i wiarygodność pozycji uzyskiwanej z GPS, co będzie miało szczególne znaczenie dla lotnictwa. Odpowiednikami EGNOS w Ameryce Północnej jest WAAS (Wide Area Augmentation System), w Indiach – GAGAN (GPS-Aided Geosynchronous Augmented Navigation System – ma zostać uruchomiony do 2013 roku), a w Japonii – MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System).

Segment kosmiczny składa się z trzech satelitów geostacjonarnych obejmujących zasięgiem całą Europę. Segment naziemny składa się z 40 stacji referencyjnych i retransmitujących oraz 6 stacji kontrolnych i kontrolno testowych:

1. 34 stacje pomiarowo-obserwacyjne (Ranging and Integrity Monitoring Stations – RIMS) odczytują depesze nawigacyjne z satelitów GPS (w tym jedna w Warszawie),

2. 6 stacji transmitujących (Navigation Land Earth Station – NLES) wysyła poprawki do satelitów, które następnie przekazują je do użytkowników,

3. 4 stacje kontrolne (Mission Control Center – MCC) przetwarzają dane i obliczają poprawki różnicowe,

4. 2 stacje kontrolno-testowe: DVP (Development Verification Platform) i ASQF (Application Specific Qualification Facility) w Torrejón obok Madrytu oraz PACF (Performance Assessment and Check-out Facility) w Tuluzie.

Budowa systemu zakończyła się w 2006 roku, wraz z oddaniem go do użytku publicznego. 1 października 2009 roku oficjalnie uruchomiono usługę otwartą EGNOS (ang. EGNOS Open Service). W roku 2010 uruchomiony zostanie również serwis „bezpieczeństwa życia” (safety-of-life) przeznaczona do zastosowań, gdzie awarie systemu GPS mogą mieć wpływ na ludzkie życie lub zdrowie (np. w lotnictwie). Będzie m.in. informować o spadku dokładności lub awarii systemu GPS najpóźniej po 6 sekundach. Również w 2010 roku uruchomiona zostanie usługa komercyjna, która będzie wyróżniała się zwiększoną dokładnością^[1].

Teoretycznie EGNOS powinien zwiększać dokładność wyznaczania pozycji do około 3-4 metrów. Jak wykazały badania przeprowadzone w Centrum Badań Kosmicznych PAN, w Polsce wartość ta jest niższa, gdyż system nie nadaje poprawek dla części satelitów widocznych nad Polską^[2]. Sytuację tę ma zmienić zwiększenie liczby satelitów nadających sygnał EGNOS. W ramach dwóch kontraktów Komisji Europejskiej z firmą SES Astra pierwszy zostanie wystrzelony w trzecim kwartale 2011 roku, a drugi – w pierwszym kwartale 2013 roku. Będą one umieszczone na orbitach geostacjonarnych położonych nad południkami 5°E oraz 31,5°E.^[3]

26 kwietnia 2013 Komisja Europejska opublikowała nową wersję dokumentacji otwartej usługi EGNOS (Open Service Definition Document 2.0)^[4]. Nowa dokumentacja jest aktualizacją wersji 1.1 opublikowanej w październiku 2009 r. Zawiera ona zaktualizowany zasięg działania serwisu oraz zaktualizowane dane dotyczące dokładności i dostępności serwisu m.in. na stacji monitorującej (RIMS) w Warszawie. Dokładność wynosi 0,9 m (współrzędne X, Y) oraz 1,4 m (Z) na poziomie prawdopodobieństwa 95% i przy 99,98% dostępności usługi. Dzięki poprawkom wyliczanym na poszczególnych stacjach referencyjnych i retransmitujących poprawki przez satelity geostacjonarne dokładność wyznaczania pozycji powinna wzrosnąć do około 1-3 metrów. W przyszłości swoim zasięgiem system ma objąć, poza Europą zachodnią i środkową również Europę wschodnią oraz południową i północną Afrykę^[5].

3.Wyjaśnij treść depesz NMEA, scharakteryzuj standard, wymień rodzaje.

NMEA – standard wysyłania depeszy nawigacyjnej od urządzenia nawigacyjnego

Z uwagi na to, iż z odbiornika GPS możemy odczytać nie tylko pozycję użytkownika, lecz również dodatkowe informacje dotyczące aktualnego czasu, mocy odbieranych sygnałów z satelitów, ich aktualnej pozycji na orbicie około ziemskiej, ilości widocznych w danym momencie satelitów, błędy pomiaru oraz inne dodatkowe informacje, do komunikacji z odbiornikiem GPS wykorzystywany jest specjalny standard NMEA.

NMEA (National Marine Electronics Association) stworzyła jednoznaczną specyfikację interfejsu komunikacyjnego i opis standardu, który umożliwia komunikację między różnego rodzaju urządzeniami pomiarowymi i prostą integrację zakupionego modułu GPS z innymi urządzeniami. Aktualnie obowiązującym numerem standardu jest 3.01. Jednakże wszystkie późniejsze zmiany są jedynie dodatkami do wyjściowego (i najpowszechniej stosowanego obecnie) standardu 0183. Ideą standardu NMEA jest wysyłanie linii danych, w których każda linia zaczyna się od określonego nagłówka i zawiera jakieś informacje wysyłane przez urządzenie.

W standardzie NMEA:

• dane wysyłane są w sposób tekstowy,

• nagłówek (odpowiedni ciąg znaków) określa jakie informację znajdują się w danej linii danych,

• każda linia danych jest niezależna od innych.

Budowa formatu 0183:

• każda linia zaczyna się od znaku $ i kończyć znakiem nowej linii (\r),

• określona długość – 80 znaków

• separator - przecinek (,),

• dane liczbowe mogą posiadać miejsca ułamkowe (po kropce),

• na końcu linii może znajdować się suma kontrolna w postaci (gwiazdka + 2 znaki HEX) – dla kontroli czy podczas przesyłania dane nie uległy przekłamaniu

• każda linia posiada nagłówek (od znaku $ do pierwszego znaku przecinka).

Nagłówek linii (np: $GPGGA,…..) zawsze zaczyna się od znaku dolara ($). Dwie pierwsze litery (np. GP) oznaczają kod urządzenia. W przypadku odbiorników GPS ich kodem jest właśnie GP. Trzy kolejne (np. GGA) określają zastosowanie danego nagłówka oraz informacje, które dana linia z sobą niesie (inaczej typ depeszy). Istnieje kilkadziesiąt typów depeszy, które obsługiwane są przez standard NMEA 0183, jednak na największą uwagę zasługuje:

1. depesza GGA – dostarcza informacji na temat aktualnego położenia, pozycję odbiornika na dany czas (nagłówek linii $GPGGA,….). Podaje: godzinę (aktualność danych), szerokość geograficzną oraz długość geograficzną w stopniach, ilość śledzonych satelitów, HDOP, wysokość nad poziomem morza, odstęp geoidy od elipsoidy, jakość pomiarów.

2. depesza GSA – dostarcza informacji o statusie satelitów (nagłówek linii $GPGSA). Podaje: rodzaj wyznaczonej pozycji (brak, pozycja 2D, pozycja 3D), numery satelitów wykorzystane do wyznaczenia pozycji, PDOP, HDOP, VDOP.

3. depesza GSV – określa gdzie na horyzoncie znajdują się satelity (nagłówek linii $GPGSV). Podaje: ilość aktualnie widocznych satelitów, identyfikator satelity, kąt pionowy, azymut.

4. depesza GLL – określa aktualną pozycję – długość i szerokość geograficzną (nagłówek linii $GPGLL). Podaje: długość geograficzną, szerokość geograficzną, aktualny czas pozycji.

5. depesza RMC (ważna!!!!) – określa minimum danych, jakie musi wysłać każdy odbiornik GPS, interpretacja tych danych pozwala również określić pozycję odbiornika GPS (nagłówek linii $GPRMC).

$GPRMC,123519,A,4807.038,N,01131.000,E,022.4,084.4,230394,003.1,W*6A

Gdzie:

· RMC – nagłówek,

· 123519 – aktualność danych - 12:35:19 UTC,

· A – status (A – aktywny; V – nieaktywny),

· 4807.038,N – szerokość geograficzna (latitude) - 48 deg 07.038' N,

· 01131.000,E – długość geograficzna (longitude) - 11 deg 31.000' E,

· 022.4 – prędkość obiektu (liczona w węzłach),

· 084.4 – kąt śledzenia/poruszania się obiektu (w stopniach) – przydatny w celu określenia kierunku poruszania się obiektu, jeżeli urządzenie GPS nie jest wyposażone w kompas,

· 230394 – data (23 marca 1994),

· 003.1,W – dewiacja magnetyczna ziemi (kąt pomiędzy północą magnetyczną a geograficzną),

· *6A – suma kontrolna.

4.Przedstaw podstawowe funkcje nawigacyjne odbiorników GPS

Nieograniczony dostęp do odbioru sygnału satelitarnego, który zapewnia standard SPS, powoduje, że wykorzystywanie odbiorników GPS jest coraz bardziej powszechne wśród użytkowników cywilnych. Oferowana dokładność pozycjonowania zaspokaja potrzeby użytkowników GPS w takich dziedzinach jak geodezja czy nawigacja, a odbiorniki GPS stanowią standardowe wyposażenie statków, samolotów i coraz częściej samochodów.

Odbiorniki GPS wyposażono w wiele funkcji, między innymi:

• określenie współrzędnych według różnych układów współrzędnych (standardowo WGS 84)

• rejestrowanie śladu

• nawigacja "do punktu" oraz "po trasie"

• track back (czyli powrót do miejsca wyjścia "tą samą trasą")

• pomiar odległości

• wyznaczenie powierzchni (np. działki)

• obliczanie wschodów i zachodów słońca oraz pór księżyca

a w bardziej rozbudowanych odbiornikach:

• wyświetlanie map i nawigacja na mapach warstwowych

• komunikacja przez port szeregowy (RS232/USB) i Bluetooth z innym sprzętem elektronicznym (PC, PPC, Palm, elektroniczna mapa morska ECDIS)

• autorouting (wyznaczanie automatycznej trasy "po drogach")

Wersje przeznaczone do eksploatacji na statkach posiadają bardzo rozbudowane możliwości nawigacyjne. Wersje lądowe mogą być wyposażone w mapę cyfrowąterenu (takie urządzenia są często instalowane w samochodach) oraz lekkie odbiorniki przenośne zasilane bateriami lub akumulatorami. Niektóre odbiorniki pozwalają na określanie pozycji z innych systemów, jak GLONASS czy LORAN C.

Odbiorniki powszechnie dostępne są wyposażane w zabezpieczenia uniemożliwiające zastosowanie ich w niektórych dziedzinach, szczególnie do konstrukcji naprowadzanych rakiet i samolotów. Porozumienie międzynarodowe o ograniczeniu handlem takimi urządzeniami przewiduje, że mogą działać do prędkości 1000 Mm/h ≈ 1852 km/h ≈ 515 m/s i do wysokości 18 km ≈ 60 000 stóp^[5].

5.Kierunkowe (kątowe) i odległościowe parametry nawigacji lotniczej

PODSTAWOWE PARAMETRY NAWIGACJI LOTNICZEJ

6.Wymień parametry opisujące standard SPS. Opisz parametr PDOP availibility

Standardowy Serwis Pozycjonowania SPS (Standard Positioning Service) w systemie GPS – podstawowe parametry standardu i jego znaczenie dla nawigacji.

SPS, czyli Standardowy Serwis Pozycyjny, jest jednym z dwóch poziomów dokładności oferowanym przez system GPS. Zapewnia dane o pozycji i czasie (mniej dokładne niż standard PPS, tj. Dokładny Serwis Pozycyjny) i jest dostępny dla wszystkich użytkowników cywilnych na całym świecie bez żadnych opłat. Dokładność pozycjonowania w tym standardzie określa się w przedziale od 10 do (oferowana podstawowa dokładność wynosi 15m), a przy wykorzystaniu stacji referencyjnej wzrasta nawet do . W serwisie tym dostępny jest tylko jeden sygnał C/A na częstotliwości L1, co powoduje niższą dokładność wyznaczania pozycji (odbiornik SPS nie wyznacza bezpośrednio poprawki jonosferycznej tylko używa modelu jonosfery transmitowanego w depeszy satelitarnej) .

Standard SPS zawiera:

• opis systemu GPS ;

• charakterystykę sygnału satelitarnego;

• informacje o zawartości depeszy nawigacyjnej;

• informacje jakie błędy wpływające na dokładność wyznaczenia pozycji nie są w standardzie uwzględnione (model jonosfery, troposfery, błąd odbiornika, odbicia sygnału);

• opis parametrów standardu, tj.:

  • obszar działania systemu,

  • dostępność PDOP (procentowy udział czasu, gdy wartość PDOP jest mniejszy od określonej w standardzie),

  • błąd mierzonej pseudoodległości (błąd średni pomiędzy wartością mierzoną pseudoodległości a tą prawdziwą),

  • wiarygodność systemu (procentowy udział czasu, gdy błąd pseudoodległości użytkownika spełnia zadaną wartość),

  • dostępność serwisu (procentowy udział czasu, gdy dokładność pozycjonowania systemu jest lepsza niż zadana),

  • dokładność pozycji (różnica między pomierzoną a znaną pozycją punktu w znanym obszarze i znanym interwale czasowym),

  • parametr dokładności czasu GPS względem czasu uniwersalnego;

• opis konstelacji satelitów.

7.Ogólna zasada działania systemu LASS. Czym różni się od systemy typu WASS.
LAAS (ang. Local Area Augmentation System) to zwykly system produkcji amerykańskiej DGPS na małą skalę, gdy nadajnik korekt znajduje się na ziemi. Zasięg działania takiego systemu zazwyczaj jest ograniczony do 20 km od nadajnika. Jego dokładność ma w przyszłości pozwolić na automatyczne lądowanie samolotów sterowanych wyłącznie przez autopilota.

Zasada działania:

Stację referencyjną emitującą odpowiednie poprawki pseudoodległości umiejscawia się w pobliżu lotniska, dla którego procedura GPS ma zastosowanie. Zasięg stosowania systemu określa się

na 20–30 NM . Wskazania podobne są do standardowego wskaźnika instrumentalnego podejścia do lądowania ILS. Stosowanie systemu LAAS pozwala na wykonywanie procedur nie tylko z prostej, ale również o zakrzywionym torze lotu, co daje możliwości zastąpienia systemu MLS kategorii III systemem satelitarnym . Znacznie redukuje się również koszty związane z budową i utrzymaniem systemu, w stosunku do systemów konwencjonalnych. Błędy systemu szacuje się na poniżej jednego metra.

Natomiast WAAS(ang. Wide Area Augmentation System) to system różnicowy o dużym zasięgu (Ameryka Północna i Atlantyk ), używający satelitów geostacjonarnych. Niskie położenie nad horyzontem w przypadku satelitów geostacjonarnych jest źródłem ograniczonej widoczności tych satelitów w przypadku poruszania się w terenie zabudowanym bądź górzystym.System składa się z 25 naziemnych stacji referencyjnych (nowe budowane są w Kanadzie i Meksyku), 5 centrów obliczeniowo-kontrolno-nadawczych i 2 satelitów geosynchronicznych.

8.Funkcje systemów nawigacji samochodowej.

Systemy nawigacji lądowej i kontroli pojazdów opierają się w głównej mierze na systemach GPS i GLONAS. W przyszłości systemy te będą oparte na nowo powstającym systemie GALILEO.

GPS jest systemem nawigacji satelitarnej, składającym się z 24 satelitów Ministerstwa Obrony Stanów Zjednoczonych, rozmieszczonych w sześciu planach orbitalnych. Pierwotnie opracowany dla potrzeb nawigacji amerykańskich łodzi podwodnych, system GPS dostarcza użytkownikom dokładnych informacji o czasie, położeniu i prędkości.

Od kilku lat mamy do czynienia ze wzrostem zastosowań cywilnych dla GPS. Globalność tego systemu wyraża się w powszechnej dostępności sygnału satelitarnego GPS 24 godziny na dobę we wszystkich zakątkach świata. Wszystkie satelity transmitują sygnał na identycznej częstotliwości (dla tzw. Usługi Standardowej jest to 1575,42MHz), używając niezależnych kodów dla wyróżnienia sygnałów z poszczególnych satelitów. Sygnał satelitarny zawiera dane o statusie systemu (dane orbitalne oraz charakterystyki zegarów). Sygnał ten jest dostępny na całym globie, korzystanie z niego jest bezpłatne. Dokładność pomiaru waha się od centymetra (odbiorniki geodezyjne) do ok. (proste odbiorniki nawigacyjne, bez korekcji różnicowej) i aż do w odbiornikach z funkcją WAAS/EGNOS.

GALILEO będzie niezależnym cywilnym systemem nawigacji satelitarnej. Działając na podobnej zasadzie jak GPS, zapewni większą dokładność pozycjonowania na terenie całego globu oraz (w przeciwieństwie do GPS) będzie natychmiast informował użytkownika o ewentualnych błędach w pracy systemu. Galileo zostanie zintegrowany z innymi systemami nawigacyjnymi (EGNOS, GPS, GLONASS, LORAN C). Szczególnie istotna jest kompatybilność z GPS i GLONASS. W projekcie Galileo przyjęto, że dla podstawowego serwisu wykorzystana zostanie ta sama częstotliwość co dla zapowiadanego L5 z GPS (E5a = L5=1176,45 MHz). Trzy działające systemy będą miały łącznie prawie 80 satelitów! Galileo pozwoli na określenie pozycji absolutnej z dokładnością . Pierwsze satelity znajdą się na orbitach w latach 2004-06, co zainicjuje pracę systemu. Docelowo (2008 r.) w kosmosie ma być 30 satelitów (27 operacyjnych i 3 zapasowe).

Obecnie funkcjonują również systemy nawigacji oparte na technologii GSM. Nawigacja realizowana jest w tym przypadku za pośrednictwem telefonów komórkowych.

Zastosowania technik nawigacyjnych:

Możliwości zastosowania technik nawigacyjnych w rolnictwie:

• zastosowanie w systemach automatycznego prowadzenia pojazdów rolniczych ,

• sterowanie rozsiewaczami nawozów i wapna, opryskiwaczami i siewnikami,

• precyzyjne stosowanie środków ochrony roślin i nawozów mineralnych

• dokumentowanie wyników produkcji ,

• dokładne pomiary właściwości fizyko-chemicznych gleby, zachwaszczenia upraw, rozwoju chorób lub szkodników w poszczególnych punktach obszaru pola,

• stosowanie zmiennych dawek nawozów lub środków ochrony roślin, zależnie od zróżnicowanej żyzności gleby i w końcowym efekcie od wielkości plonu,

• umożliwia zebranie szczegółowych informacji o wielkości plonu w danym punkcie pola i sporządzenie mapy plonów ,

• określanie dokładnych współrzędnych miejsc poprania próbek gleby.

Możliwości zastosowania technik nawigacyjnych w transporcie:

• kontrola na bieżąco, gdzie w danej chwili znajdują się pojazdy,

• kontrola wykonania zleconych zadań,

• możliwość skalowania mapy, wyszukiwania ulic i punktów terenowych

• rejestracja przez system wszystkich zdarzeń i operacji wykonanych przez operatora (przegląd i wydruk wybranych zdarzeń za dowolny okres)

Możliwości zastosowania technik nawigacyjnych w ratownictwie:

• lokalizacja miejsc katastrof,

• odszukiwanie rozbitków,

• monitoring i pozycjonowanie grup interwencyjnych