Nowy regionalny satelitarny system wspomagający QZSS powstaje

Nowy regionalny satelitarny system wspomagający QZSS powstaje

CZASOPISMO STOWARZYSZENIA
ELEKTRYKÓW POLSKICH
2'=1$&=21(=à27Ą+21252:Ą
2'=1$.Ą6(3
ORAZ DWUKROTNIE ODZNACZONE
+21252:Ą=à27Ą2'=1$.Ą
=$6à8ĩ21(*235$&2:1,.$
àĄ&=12ĝ&,
ROK LXXXV
kwiecień 2016
NR 4
Jacek JANUSZEWSKI*
DOI: 10.15199/59.2016.4.3
Nowy regionalny satelitarny system
wspomagający QZSS powstaje w Japonii
New regional satellite system augmentation under construction in Japan
Powstały w Japonii system QZSS (Quasi-Zenitalny System
Satelitarny) zapewnia regionalny serwis nawigacji satelitarnej (w tym również usługi wspomagające) w Azji Wschodniej i Oceanii. System ten został zbudowany w celu zapewnienia możliwości określania pozycji za pomocą systemu satelitarnego
w miejskich kanionach i rejonach górzystych. Opisano segment kosmiczny,
obejmujący satelity na nachylonych orbitach geosynchronicznych (IGSO),
podano parametry wszystkich sześciu sygnałów i depesz nawigacyjnych
wysyłanych przez te satelity. Opisano segment naziemny z 11 stacjami,
segment użytkownika ze zintegrowanymi odbiornikami (QZSS i inne nawigacyjne systemy satelitarne), możliwości i zastosowania systemu obecnie
i w przyszłości.
Słowa kluczowe: QZSS, nawigacyjny system satelitarny, sygnał LEX, serwis
SLAS, serwis CLAS
The Quasi – Zenith Satellite System (QZSS), developed
by Japan, provides a regional satellite navigation service
(augmentation also) in East Asia and Oceania. QZSS was
developed to provide position service in urban canyons
and mountainous environments. Spatial segments with Inclined GeoSynchronous Orbit (IGSO) satellites, the parameters of all six signals transmitted
by satellites, all six navigation messages, terrestrial segment with 11 stations,
user segment with integrated (QZSS and other satellite navigation system)
receivers and the system performance and its use today and in the future
are described in this paper.
Key words: QZSS, satellite navigation system, signal LEX, service SLAS,
service CLAS
Obecnie (luty 2016 r.) w pełni operacyjne są dwa globalne
nawigacyjne systemy satelitarne (NSS): amerykański GPS i rosyjski GLONASS, a ponadto cztery satelitarne systemy wspomagające SBAS (Satellite Based Augmentation System): EGNOS w Europie i północnej Afryce, WAAS w USA i Kanadzie, MSAS w Japonii
i GAGAN w Indiach. W budowie są dwa kolejne NSS: Galileo
w Europie i BeiDou w Chinach oraz jeden SBAS, SDCM w Federacji Rosyjskiej. Ponadto w Japonii w końcowej fazie budowy jest
system QZSS (Quasi Zenith Satellite System), którego pierwszy
satelita znajduje się na orbicie od września 2010 roku. Wszystkie wymienione systemy są powszechnie nazywane globalnymi
GNSS (Global Navigation Satellite System). System QZSS będzie
wykorzystywany zarówno jako klasyczny system nawigacyjny,
umożliwiający określanie pozycji, jak i system wspomagający,
dostarczający użytkownikowi różnego rodzaju poprawki i informacje o wiarygodności i dostępności innych NSS.
Od drugiej wojny światowej obserwuje się nieprzerwany
rozwój początkowo naziemnych systemów radionawigacyjnych,
takich jak Decca Navigator, Omega, Loran C, a później nawigacyjnych systemów satelitarnych. W połowie lat 90. minionego
stulecia oddano do eksploatacji dwa globalne NSS, a w XX wieku
cztery systemy SBAS [1], [2], [8].
Jednym z państw najbardziej zainteresowanych i jednocześnie znaczących na rynku naziemnych systemów radionawigacyjnych i satelitarnych systemów wspomagających jest Japonia.
To na jej terytorium zlokalizowano stacje nadawcze systemu
naziemnego Loran A, później Loran C oraz jedną z ośmiu stacji
globalnego systemu naziemnego Omega. W pierwszej dekadzie
obecnego wieku Japonia była drugim po USA państwem najbardziej zaangażowanym w tworzenie systemów SBAS. Pierwszego
satelitę geostacjonarnego nowego systemu wspomagającego
MSAS (Multi-functional Transport Satellite Based Augmentation
System) wprowadzono na orbitę z własnego kosmodromu już
w 1999 roku, ale po awarii jeszcze w tym samym roku wyłączono
go z eksploatacji. Funkcjonowanie systemu przywrócono dopiero
w 2005 roku. Obecnie system ten jest także wykorzystywany
do kontroli ruchu lotniczego oraz prowadzenia obserwacji meteorologicznych. Dodatkowo należy też wspomnieć, że jest to kraj
wielu renomowanych i jednocześnie bardzo znanych w świecie
producentów różnego rodzaju urządzeń radionawigacyjnych,
w tym również powszechnie stosowanych odbiorników systemów
naziemnych i satelitarnych. Można tu chociażby wymienić takie
koncerny, jak Furuno, Koden czy JRC.
Licząca przeszło 120 milionów ludności Japonia leży na średnich szerokościach geograficznych. Zdecydowana większość
terenów zamieszkałych znajduje się między 30 a 45O N. Jest to
kraj górzysty, a w kilkunastu wielkich miastach i kilkudziesięciu
* Akademia Morska w Gdyni, e-mail: [email protected]
106
WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE z ROCZNIK LXXXV z nr 4/2016
aglomeracjach zabudowa ma charakter tzw. miejskich kanionów (urban canyon). Kilkadziesiąt milionów obywateli korzysta
od lat z telefonii komórkowej, współpracującej z systemem GPS.
Wszyscy ci użytkownicy muszą się liczyć z następującymi ograniczeniami:
wysokość topocentryczna satelitów geostacjonarnych MSAS
wynosi około 40O, co oznacza, że w kanionach miejskich i terenach górzystych satelity te są najczęściej rzadko widziane;
liczba satelitów systemu GPS w czasie jazdy w miastach z użyciem nawigacji satelitarnej może ulec znacznemu zmniejszeniu,
dodatkowo sygnały z satelitów mogą być obarczone błędem tzw.
wielodrogowości (multipath error).
Władze Japonii postanowiły więc stworzyć od podstaw taki
system satelitarny, w którym co najmniej jeden satelita będzie
widoczny nad ich krajem na wystarczająco dużej wysokości
topocentrycznej. Ponadto satelity te powinny użytkownikowi systemu GPS dostarczać zarówno różnego rodzaju poprawki, jak
i sygnały wykorzystywane w procesie określania pozycji. Celem
było więc zbudowanie systemu o dwojakim charakterze, z jednej
strony wspomagającym, a z drugiej regionalnym, poprawiającym
dostępność systemu globalnego.
Badania wykazały, że wymienione wymagania może spełnić
jedynie system, w którym segment kosmiczny będzie obejmować satelity okrążające Ziemię po orbitach geosynchronicznych
nachylonych – IGSO (Inclined GeoSynchronous Orbit), zwanych
też Quasi-Zenitalnymi – QZO (Quasi –Zenith Orbit). Taki też
rodzaj orbity został przyjęty, a system nazwano QZSS (Quasi
Zenith Satellite System). W 2002 roku zatwierdzono projekt budowy od podstaw tego systemu. Realizacją zajęło się konsorcjum
ASBC (Avanced Space Business Corporation) zrzeszające takie
firmy, jak Mitsubishi Electric, Hitachi czy też GNSS Technologies
Inc. W 2007 roku projekt przejęła Japońska Agencja Kosmiczna
(JAXA – Japan Aerospace Exploration Agency) wraz z centrum
badawczym SPAC (Satellite Positioning Research and Application
Center). Publikuje ona cyklicznie szczegółową dokumentację na
temat bieżącego stanu systemu w serii oznaczonej symbolem
IS-QZSS Draft V1. Pierwsza wersja 1.0 ukazała się w 2008 roku
[4], ostatnia zaś 1.6, licząca 248 stron i obowiązująca po dzień
dzisiejszy, 28 listopada 2014 roku [5].
Od 2007 roku informacje o stanie budowy, zasadzie działania
i przewidywanych zastosowaniach systemu QZSS zaczęły być
przedstawiane w tak renomowanych wydawnictwach specjalistycznych o zasięgu światowym, jak GPSWorld [16] czy Insidegnss [18]. W podręcznikach o systemach satelitarnych systemowi temu zaczęto poświęcać co najmniej jeden podrozdział
[1], [2]. Zagadnienia związane z QZSS stały się też jednym ze
stałych tematów międzynarodowych konferencji poświęconych
systemom satelitarnym, takich jak największa w Europie organizowana corocznie w Monachium (Satellite Navigation Summit), np.
[11], [12], [13] czy też tzw. szczyty komitetu do spraw GNSS, np.
Saint-Petersburg w 2009 r. [9] i Pekinie w 2012 r. [10].
•
•
STRUKTURA SYSTEMU
W systemie QZSS, tak jak w każdym NSS czy też SBAS, można
wyróżnić trzy segmenty: kosmiczny, naziemny i użytkownika.
SEGMENT KOSMICZNY
Według ostatnich ustaleń (luty 2016 r.) segment kosmiczny
systemu QZSS będzie liczył cztery satelity, trzy na trzech nachylonych orbitach geosynchronicznych IGSO (po jednym na każdej
z trzech) i jeden na orbicie geostacjonarnej na długości geoO
graficznej 135 E. Orbita IGSO to orbita o kształcie eliptycznym
o okresie obiegu Ziemi przez satelitę równym dobie gwiazdowej.
O
W systemie QZSS kąt inklinacji orbit IGSO wynosi 43 (odchyłO
ka ± 4 ), apogeum 38 948 km znajduje się nad Japonią, zaś perygeum o wysokości 32 623 km nad Australią. Satelity poruszające
się po takiej orbicie przelatują nad równikiem na wysokości około
WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE z ROCZNIK LXXXV z nr 4/2016
400 km mniejszej niż wysokość orbity geostacjonarnej. Przy takich
parametrach ślad satelitów IGSO na powierzchni Ziemi ma kształt
asymetrycznej ósemki (rys. 1). Satelita, poruszając się na północ,
będzie zwiększał swoją odległość od powierzchni Ziemi, zaś czas
jego widzialności nad półkulą północną będzie większy niż nad
półkulą południową. Każdy, pojawiający się w odstępach ośmiogodzinnych, satelita obserwowany z okolic Japonii będzie widoczny
przez około 8 godzin na wysokości topocentrycznej co najmniej
70O i około 12 godzin na nie mniejszej niż 50O. Ze względu na to,
że system QZSS zalicza się do systemów wspomagających SBAS,
jego satelity są identyfikowane przez stosowany w systemie GPS
niepowtarzalny kod PRN (Pseudo Range Noise) [5].
„Rys. 1. System QZSS – ślad satelity IGSO na powierzchni Ziemi [5]
Pierwszy satelita IGSO, oznaczony symbolem QZS–1,
o nazwie Michibiki, został wyniesiony na orbitę 11 września 2010 r.
za pomocą rakiety nośnej H2A202, wystrzelonej z japońskiego
kosmodromu Tanegashima; długość geograficzna węzła wstępującego to około 135O (wartość bezwzględna odchyłki może
wynieść 5O, a nawet i więcej). Kod PRN tego satelity wynosi 183.
Jest to nadal jedyny funkcjonujący satelita systemu [5], [15].
W języku japońskim słowo michibiki oznacza „wyznaczać drogę”,
„prowadzić”. Przewiduje się, że w najbliższych dwóch latach segment kosmiczny powiększy się o dwa satelity IGSO i jeden GEO
(Geostationary Earth Orbit) zlokalizowany na długości około 135O
E. Docelowo trzem satelitom IGSO zostaną przyporządkowane
numery PRN od 193 do 195 [5].
SEGMENT NAZIEMNY
Struktura i funkcjonowanie segmentu naziemnego systemu
QZSS nie różni się zasadniczo od wszystkich innych NSS i SBAS.
Segment ten liczy łącznie 11 stacji, w tym jedną stację główną
MCS (Master Control Station), dziewięć stacji monitorujących
MS (Monitoring Station), jedną stację korygującą TCS (Tracking
Control Station) oraz dwie kontroli czasu TMS (Time Management
Station). Jedna z tych stacji znajduje się w instytucie NICT (National Institute of Information and Communication Technology). Stacja
Okinawa odgrywa rolę trzech stacji – MS, TCS i TMS (tabela 1).
Sześć stacji zlokalizowano na terenie Japonii, pozostałe pięć, na
mocy odpowiednich porozumień międzynarodowych o wzajemnej współpracy, w ośrodkach naukowych czterech państw.
107
„Tabela 1. System QZSS, stacje segmentu naziemnego (opracowanie autora na podstawie [5] pierwszego satelity QZSS – Michibiki, model
Współrzędne geograficzne
M
Miejsce, państwo
Koganei, Japonia
monitorująca
korygująca
kontroli
czasu
–
–
–
–
–
–
–
–
–
+
+
–
–
–
–
+
+
+
+
O
+
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
O
–
–
–
–
–
–
–
–
O
139 29,3’ E
O
141 44,9’ E
O
127 50,7’ E
35 42,5’ N
Sarobetsu, Japonia
45 09,8’ N
Okinawa, Japonia
26 29,9’ N
Chichi-Jima,
Japonia
27 04,8’ N
Hawaje, USA
22 07,6’ N
Guam, USA
O
O
O
142 12,9’ E
O
159 39,9’ W
O
144 47,7’ E
O
O
O
O
100 36,8’ E
O
077 30,7’ E
O
149 00,6’ E
Bangkok, Tajlandia
14 04,9’ N
Bangalore, Indie
13 02,1’ N
Canberrra, Australia 35 19,0’ S
O
O
O
O
140 03,6’ E
O
139 48,5’ E
Tsukuba, Japonia
36 06,7’ N
Tokio, Japonia
35 48,3’ N
główna
O
O
13 28,7’ N
Rodzaj stacji
+
+
+
+
+
Wszystkie depesze nawigacyjne są obliczane w MCS,
a następnie za pośrednictwem TCS przesyłane do satelitów systemu [5].
Współpraca międzynarodowa obejmuje również śledzenie
satelity Michibiki przez stacje sieci CONGO (Cooperative Network
for GIOVE Observations), stworzonej na potrzeby systemu Galileo.
Stacje te, zarządzane i eksploatowane przez niemiecki Instytut
Astronomii i Geodezji Fizycznej (IAPG), znajdują się w Chofu
(Japonia), Singapurze, Sydney, Maui na Hawajach i francuskiej
wyspie Tahiti. Wykorzystywane są do śledzenia tegoż satelity oraz
obliczania parametrów jego orbity i zegara pokładowego [14].
Zadaniem wszystkich stacji monitorujących jest odbieranie
sygnałów nie tylko od satelitów QZSS, ale również satelitów systemu GPS. Umożliwia to obliczenie parametrów orbit satelitów
QZSS oraz wzorca czasu tegoż systemu i następnie porównywanie tych parametrów z parametrami otrzymywanymi z systemu
GPS.
SEGMENT UŻYTKOWNIKA
Pierwszym urządzeniem dostępnym od pierwszego kwartału
2009 roku dla użytkowników cywilnych, współpracującym z nieistniejącym wówczas segmentem kosmicznym systemu QZSS, był
symulator konstelacji satelitów NavX–NCS–RF firmy IfEN GmbH.
Wkrótce pojawiły się pierwsze wzmianki o modułach współpracujących z systemem QZSS. Można tu wymienić wprowadzony
w 2011 roku, czyli już w kilka miesięcy po wprowadzeniu na orbitę,
„Tabela 2. Zestawienie liczbowe producentów odbiorników /modułów/chipsetów systemu QZSS dostępnych na rynku w latach 2011–
2015 (opracowanie autora na podstawie [16])
+
BNC 4751 firmy Broadcom [16].
W tabeli 2 zestawiono, opracowaną
przez autora na podstawie zamieszczanych
corocznie w styczniowym numerze renomowanego miesięcznika GPSWorld, liczbę
producentów oraz wytwarzanych przez nich
modeli odbiorników/modułów/chipsetów
dostępnych na rynku w latach 2011–2015.
W kolejnych latach zarówno liczba producentów, jak i modeli, systematycznie rosła,
w 2015 roku było to już ponad 37% wszystkich
uwzględnionych w miesięczniku producentów
i blisko 36% wszystkich modeli. W tabeli 3
przedstawiono natomiast wykaz producentów odbiorników/modułów/chipsetów systemu QZSS wraz z liczbą oferowanych przez
nich modeli w 2015 r.. Liderem jest tu, i to od
lat, znany na całym świecie koncern JAVAD
GNSS, na drugim miejscu wielka firma japońska Furuno [16].
„Tabela 3. Wykaz producentów odbiorników /modułów/chipsetów
systemu QZSS dostępnych na rynku w roku 2015 [16]
Producent
Ashtech/Boards & Sensors
Liczba modeli odbiorników /
modułów/chipsetów
systemu QZSS
3
CHC
2
CSR
12
Furuno
14
Jackon Labs Technologies
1
Japan Radio Co
2
JAVAD GNSS
39
Leica Geosystems AG
5
NovAtel
11
Ralelogic
3
Septentrio
6
SkyTraq Technology
8
Sokkia
3
Spectra Precision
1
STMicroelectronics
8
Topcon
7
Trimble
23
u-blox
7
liczba
% (ogółu)
liczba
%
(ogółu)
2011 (61 / 450)
1
1,6
1
0,2
2012 (58 / 483)
5
8,6
46
9,5
2013 (55 / 502)
10
18,2
86
17,1
W zdecydowanej większości są to profesjonalne moduły
i chipsety, zawsze jednak wchodzą w skład odbiornika czy też
specjalnego zestawu zintegrowanego, umożliwiającego wykorzystywanie sygnałów z kilku nawigacyjnych systemów satelitarnych
i systemów wspomagających, zarówno już funkcjonujących, jak
i dopiero budowanych. Można tu wymienić odbiornik TRIUMPH-LS firmy JAVAD GNSS, odbierający sygnały QZSS na trzech
częstotliwościach L1, L2 i L5 oraz sygnały z satelitów systemu
GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou oraz systemów SBAS czy też
moduł GN86 firmy Furuno, odbierający sygnały QZSS na częstotliwości L1 oraz sygnały systemów GPS, Galileo oraz SBAS [16].
2014 (47 / 380)
14
29,8
121
31,8
SYGNAŁY I DEPESZE NAWIGACYJNE
2015 (48 / 434)
18
37,5
155
35,7
Według założeń z 2014 roku [5], satelity systemu QZSS będą
emitować docelowo siedem sygnałów na czterech częstotliwo-
Rok (liczba
wszystkich
producentów/
wszystkich
odbiorników)
108
Producenci
odbiorników/
modułów/chipsetów
Odbiorniki/
moduły/chipsety
WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE z ROCZNIK LXXXV z nr 4/2016
„Tabela 4. System QZSS, częstotliwości, sygnały, przeznaczenie
i depesze (opracowanie autora na podstawie [5])
Częstotliwość
[MHz]
fo = 10,23 MHz
Sygnał
Przeznaczenie
Depesza
L1 C/A
Pozycjonowanie,
kompatybilny z GPS
NAV
L1 C
Pozycjonowanie,
kompatybilny
z przyszłym blokiem III
satelitów GPS
CNAV-2
L1 SAIF
Sygnał wspomagający
SLAS,
wykorzystywany
w systemie DC Report
SAIF
1 278,75
(fo . 125)
L6 (LEX)
Sygnał wspomagający
CLAS
LEX
1 227,60
(fo . 120)
L2 C
Pozycjonowanie,
kompatybilny z GPS
CNAV
L5
Pozycjonowanie,
kompatybilny
CNAV
z satelitami bloku IIF GPS
L5 S
Sygnał eksperymentalny,
brak
planowany dla przyszłych
danych
satelitów QZSS
1 575,42
(fo . 154)
1 176,45
(fo . 115)
ściach nośnych. Obecnie (sierpień 2015 r.) satelita Michibiki emituje sześć sygnałów z wyjątkiem L5S (tabela 4). Wszystkie cztery częstotliwości są pełną wielokrotnością częstotliwości 10,23
MHz, trzy z nich (L1, L2 i L5) są takie same, jak w systemie GPS,
czwarta L6 jest natomiast zgodna z częstotliwością E6 systemu
Galileo, na której emitowane są sygnały o numerach 5, 6 i 7 [6],
[7]. Dodatkowo częstotliwości L1 i L5 są, bądź będą, tożsame
z częstotliwościami systemów Galileo i GLONASS.
CHARAKTERYSTYKA SYGNAŁÓW
Wszystkie sześć sygnałów, obecnie emitowanych, określanych według [5] mianem pozycyjnych, przy czym cztery L1 C/A,
L1C, L2C i L5, dzięki wspólnym z innymi NSS częstotliwościom,
wykorzystuje się w celu poprawy dostępności, zaś dwa pozostałe,
L1–SAIF (Submeter-class Augmentation with Integrity Function)
i LEX, dzięki emisji odpowiednich poprawek i różnego rodzaju
informacji, jako wspomagające.
Segment naziemny monitoruje nieprzerwanie wszystkie
sygnały transmitowane przez satelitę oraz jego status i co sekundę
sprawdza, czy dokładność SIS (Signal In Space) któregokolwiek
z sygnałów jest gorsza niż 9,65 m oraz czy wykryto jakikolwiek
problem z tym satelitą. W razie wykrycia nieprawidłowości użytkownicy przez odpowiedni alarm zostają ostrzeżeni w czasie nie
dłuższym niż 30 s dla sygnału L1 C/A, 90 s dla sygnału L1C, 40 s
dla L2C i 30 s dla L5. Podczas okresowych prac konserwacyjnych
satelity generowany jest stosowny alarm o nieprzydatności do
użytku sygnałów przez niego emitowanych. Taki satelita emituje
wówczas depeszę awaryjną zamiast standardowej [5], [21].
PARAMETRY DEPESZ
Dla każdego z sześciu emitowanych przez satelitę sygnałów
depesza nawigacyjna wygląda inaczej. W przypadku czterech
sygnałów L1 C/A, L1C, L2C i L5 depesza ta, tak jak w każdym
NSS, składa się z efemeryd i almanachu oraz danych charakterystycznych jedynie dla systemu QZSS. Do danych tych można
zaliczyć między innymi alarmy dotyczące jakości sygnału („Alert”
flag), parametr URA (User Range Accuracy), dane o zdrowiu satelity oraz poprawki orbitalne.
WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE z ROCZNIK LXXXV z nr 4/2016
Depesze czterech wymienionych sygnałów są aktualizowane
w stałych odstępach czasowych. I tak na przykład efemerydy co
900 s, zaś parametr URA co 30 s dla sygnału L1 C/A, co 18 s
dla sygnału L1, co 48 s dla L2C i co 24 s dla L5 [5]. Struktura
każdej z tych depesz jest tożsama z odpowiadającą jej o tej samej
nazwie depeszą emitowaną na tej samej częstotliwości przez
satelity systemu GPS [6], [7]. Informacje o parametrach orbity
zawarte w efemerydach są ważne minimum przez 2 godziny, zaś
parametry zegara satelity przez minimum 30 minut [5].
DEPESZA NAV, SYGNAŁ L1 C/A
Depesza NAV, transmitowana na sygnale L1 C/A, ma tę samą
strukturę, co depesza o tej samej nazwie emitowana przez satelity
systemu GPS [3], [6]. Istnieją jednak między nimi pewne różnice,
z których najważniejsza dotyczy odmiennej struktury czasowej.
O ile bowiem w systemie GPS ramy czasowe emisji są związane
z istnieniem 25 ramek almanachu (12,5 minuty), to w systemie
QZSS nie ma takiego ograniczenia. Satelity QZSS identyfikowane
są przez swój unikatowy numer SV ID (Space Vehicle Identification
Number). Dlatego też liczba 30-sekundowych ramek może zostać
zwiększona do 30, a nawet i więcej, a informacje w nich zawarte
mogą dotyczyć również innych NSS [5].
DEPESZA SAIF, SYGNAŁ L1–SAIF
Depesza przesyłana na sygnale L1–SAIF, zwana wiadomością nawigacyjną SAIF, składa się z pojedynczej ramki głównej
liczącej 250 bitów [13]. Ze względu na to, że prędkość transmisji
danych wynosi 250 bit/s, czas jej trwania to 1 s. Ramkę tę tworzą
następujące elementy [5].
Preambuła, bity o numerach od 1 do 8, powtarzająca się cyklicznie w trzech kolejnych sekwencjach A, B i C. Początek sekwencji A zsynchronizowany jest z czasem emisji każdej sześciosekundowej podramki depeszy NAV (sygnał L1 C/A). Oznacza to,
że podczas transmisji jednej takiej podramki wiadomość SAIF
zostanie wysłana sześć razy, a każda z trzech sekwencji powtórzona dwukrotnie w zadanej kolejności.
Identyfikator typu wiadomości, bity o numerach od 9 do 14,
przedstawiany jako binarny numer z przedziału 0 – 63 (26 = 64).
Wskazuje on rodzaj właściwej informacji przesyłanej w kolejnych
bitach. Informacje te są bardzo zróżnicowane, gdyż obejmują wiadomości testowe, informacje o wiarygodności, poprawki krótkoi długoterminowe, poprawki jonosferyczne i troposferyczne, efemerydy satelitów QZSS, almanach tego systemu, wiadomości
puste i zarezerwowane itd. W jednej ramce mogą być przesyłane
tylko wiadomości jednego typu, ale kolejność transmisji poszczególnych typów wiadomości nie została dotychczas ustalona.
Wiadomość właściwa, bity o numerach od 15 do 226, typ wiadomości określony wcześniej przez identyfikator.
Bity sprawdzające, o numerach od 227 do 250. W przypadku
każdej ramki odbiornik użytkownika weryfikuje prawidłowość
ich odbioru.
•
•
•
•
DEPESZA CNAV, SYGNAŁ L2C
Depesza CNAV, bezpośredni następca pierwszej cywilnej
depeszy NAV, została stworzona na potrzeby systemu GPS [3],
[7]. W systemie QZSS konfiguracja depeszy CNAV, również transmitowanej wraz z sygnałem L2C, jest taka sama, z wyjątkiem treści
wiadomości właściwej. Pojedyncza ramka liczy 300 bitów, czas
jej trwania to 12 s, zaś prędkość transmisji danych wynosi 250
bit/s. Ramkę tę tworzą [5]:
preambuła, bity o numerach od 1 do 8;
numer PRN satelity, bity o numerach od 9 do 14;
identyfikator typu wiadomości, bity o numerach od 15 do 20,
przedstawiany jako binarny numer z przedziału 0 – 63 (26 = 64);
wskazuje on rodzaj właściwej informacji przesyłanej w kolejnych bitach;
czas tygodnia (TOW – Time of Week), bity o numerach od 21
do 37; wartość liczbowa wyrażona przez owe bity pomnożona
•
•
•
•
109
przez 6 definiuje czas (w sekundach) rozpoczęcia przez satelitę
emisji kolejnej ramki CNAV;
ostrzeżenie (flag), bit o numerze 38; jest to informacja dla użytkownika o możliwości wystąpienia błędu większego niż wcześniej
założono, dalsze korzystanie z takiej wiadomości odbywa się już
na własne ryzyko;
wiadomość właściwa, bity o numerach od 39 do 276, typ wiadomości określony wcześniej przez identyfikator; dla każdego
typu ustalono maksymalne przedziały czasu, po upływie którego dana wiadomość powinna być emitowana ponownie, i tak
w przypadku efemeryd satelity przedział ten wynosi 28 s, poprawki
jonosferycznej, odchyłki czasu i parametrów UTC jest to 288
s, zredukowanego i pełnego almanachu QZSS odpowiednio
20 minut i 120 minut; wiadomość typu zero jest emitowana w razie
awarii generatora depeszy;
bity sprawdzające, o numerach od 277 do 300; w przypadku każdej ramki odbiornik użytkownika weryfikuje prawidłowość ich odbioru.
•
•
•
DEPESZA CNAV, SYGNAŁ L5
Depesza CNAV transmitowana na sygnale L5 ma tę samą
strukturę co depesza CNAV na częstotliwości L2 [5], [7], z jedną
tylko, ale bardzo istotną różnicą. Emisja jednej, pełnej ramki trwa
6 s, gdyż prędkość transmisji danych na częstotliwości L5 wynosi
50 bit/s, czyli jest dwukrotnie większa niż na częstotliwości L2.
Z tego też powodu skróceniu o połowę, w porównaniu z CNAV
na L2, uległy maksymalne przedziały czasu, po upływie którego
dana wiadomość powinna być emitowana ponownie [5].
DEPESZA CNAV–2, SYGNAŁ L1C
Depesza CNAV–2, przesyłana na sygnale L1C, kolejna wersja
depeszy z serii CNAV, będzie tożsama z depeszą o tej samej
nazwie, która będzie emitowana przez satelity przyszłego bloku III
systemu GPS również na sygnale L1C. Strukturę depeszy CNAV–2
systemu GPS szczegółowo opisano w [3] i [7]. W depeszy transmitowanej przez satelity QZSS w trzeciej podramce wśród 250
bitów danych można wyróżnić [5]:
numer PRN satelity, bity o numerach od 1 do 8;
typ strony, bity o numerach od 9 do 14; spośród 64 (26 = 64)
możliwych typów strony obecnie jest wysyłanych 11 stron, o numerach od 1 do 7 ( dotyczą systemu QZSS) i od 17 do 20 (dotyczą systemu GPS);
wiadomość właściwą, bity o numerach od 15 do 250; które
strony i z jaką częstością są wysyłane jest ściśle określone, gdyż
niektóre dane muszą być wysyłane nie rzadziej niż co ustaloną
liczbę sekund czy też minut i tak na przykład poprawki jonosferyczne nie rzadziej niż co 288 sekund, zaś uproszczony almanach nie rzadziej niż co 20 minut.
•
•
•
DEPESZA LEX, SYGNAŁ L6
Depesza LEX, stworzona z myślą o kompatybilności systemów QZSS i Galileo, jest transmitowana na częstotliwości L6,
tożsamej z częstotliwością E6 systemu Galileo. Prędkość przesyłania danych jest kilkanaście, a w niektórych przypadkach nawet
kilkadziesiąt, razy większa niż we wszystkich wymienionych depeszach, gdyż wynosi 2000 bit/s. Transmisja jednej pełnej ramki
trwa tym samym jedną sekundę. Struktura depeszy jest znana
od kilku lat [7]. O ile jednak jeszcze w 2012 roku spośród 256
typów wiadomości były zdefiniowane zaledwie trzy (10, 11 i 20),
to obecnie znane jest już przeznaczenie wszystkich [5]:
typ od 0 do 9; zapasowe (do użytku zewnętrznego),
typ 10; „zdrowie sygnału” dla 35 satelitów (32 GPS i 3 QZSS
IGSO), efemerydy i dane zegara dla trzech spośród nich; obecne
zastosowanie w pomiarach agencji JAXA,
typ 11; „zdrowie sygnału” dla 35 satelitów (32 GPS i 3
QZSS), efemerydy i dane zegara dla dwóch spośród nich,
poprawki jonosferyczne; obecne zastosowanie w pomiarach
agencji JAXA,
•
•
•
110
typ 12; poprawki zegara oraz orbit, MADOCA-LEX (Multi-GNSS
•
Advanced Demonstration tool for Orbit and Clock Analysis),
13; MADOCA-LEX,
• typ
typ
od
do 19; zapasowe,
• typ od 14
20 do 155; do celów eksperymentalnych,
• typ od 156
do 250; do celów demonstracyjnych i eksperymen•
talnych w sektorze prywatnym.
EKSPLOATACJA SYSTEMU
Układem odniesienia systemu QZSS jest JGS (Japan Satellite
Navigation Geodetic System), zaś elipsoidą odniesienia elipsoida GRS80 (duża półoś 6 378 137 m, biegunowe spłaszczenie
1/298,257222101). Czas systemu QZSST (QZSS Time) jest związany z czasem TAI (Time Atomic International) przez czas systemu GPS (GPST), uwzględnia też tę samą co GPS liczbę sekund
przestępnych. Docelowo odchyłka między czasami GPS i QZSS
będzie przekazywana w depeszach nawigacyjnych obydwu tych
systemów [1], [5].
Obecnie (luty 2016) system QZSS jest wykorzystywany przede
wszystkim jako system wspomagający, pozycja użytkownika – dysponującego odbiornikiem zintegrowanym QZSS + GPS, określona
za pomocą systemu GPS – korygowana jest poprawkami odbieranymi z satelity QZSS (Michibiki). Jednocześnie, dzięki wymienionym
sygnałom i depeszom docierającym z tego satelity, liczba satelitów
wykorzystywanych w procesie określania pozycji, a w praktyce
liczba zmierzonych pseudoodległości, może zostać zwiększona.
W każdym zintegrowanym (QZSS + NSS) odbiorniku użytkownika wysokość topocentryczna satelity QZSS, od którego
odbierane są różnego rodzaju poprawki, powinna wynosić co
najmniej 5O. Ten sam warunek obowiązuje również w przypadku
wykorzystywania podczas określania pozycji sygnałów docierających z satelitów NSS [5].
Wyniki pierwszych pomiarów przeprowadzonych w Japonii
w aglomeracjach miejskich o wąskich ulicach i wysokiej zabudowie, z wykorzystaniem systemu GPS wspomaganego sygnałami
L1–SAIF i LEX z satelity Michibiki, wykazały, że kiedy satelita ów
znajduje się w apogeum lub jego pobliżu (przez około 8 godzin
jest na wysokości topocentrycznej 70O lub większej), prawdopodobieństwo określenia pozycji użytkownika wzrasta do niemal 100 %, a jej błąd znacząco maleje, zarówno w płaszczyźnie
horyzontalnej, jak i pionowej, z około jednego i czterech metrów
do kilkudziesięciu centymetrów [13], [17], [19]. Zapowiedź wprowadzenia na orbitę dwóch kolejnych satelitów IGSO oznacza, że
użytkownicy japońscy będą mogli określać tak dokładną pozycję
w sposób nieprzerwany.
SERWISY SLAS I CLAS
W serwisie SLAS (Sub-meter Level Augmentation Signal)
wykorzystuje się sygnał L1–SAIF zawierający poprawki, uwzględniające między innymi błędy jonosfery, zegara satelity systemu
GPS oraz jego efemeryd. Poprawki te wyliczane są na bieżąco przez znajdującą się w Tokio stację L1SMS (L1 SAIF Master
Station) połączoną ze stacją główną systemu QZSS w Tsukubie. W obliczeniach brane są pod uwagę różnego rodzaju dane
pozyskiwane z 14 zlokalizowanych na terenie Japonii stacji sieci
GEONET (GPS Earth Observation Network System). Z tego też
powodu zasięg SLAS ogranicza się jedynie do wysp japońskich.
Dokładność pozycji horyzontalnej (95%) określonej za pomocą
odbiornika systemu GPS i skorygowanej odpowiednimi poprawkami z satelity QZSS jest rzędu 1 m [13].
W serwisie CLAS (Centimeter Level Augmentation Signal)
wykorzystuje się z kolei sygnał LEX, za pomocą którego w wiadomościach o numerach 10 i 11 w czasie rzeczywistym są przesyłane poprawki zegara oraz efemerydy satelitów systemu GPS.
Umożliwia to określanie pozycji użytkownika z dokładnością rzędu
centymetrów w płaszczyźnie horyzontalnej (95%), tzw. Precise
Point Positioning (PPP) [19], [20].
WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE z ROCZNIK LXXXV z nr 4/2016
PERSPEKTYWY WYKORZYSTANIA SYSTEMU
Ze względu na fakt, że wyspy japońskie leżą na styku czterech
płyt tektonicznych, kraj ten narażony jest na częste występowanie trzęsień Ziemi i innych katastrof naturalnych, takich jak na
przykład tsunami. Dlatego też Japonia zdecydowała o zbadaniu
możliwości szybkiego powiadamiania swych obywateli o nadchodzącym niebezpieczeństwie za pomocą własnego systemu
satelitarnego.
W tym celu powstanie nowy, oparty na QZSS, system o nazwie
DC Report (Satellite Report for Disaster and Crisis Management).
Jego głównym zadaniem będzie rozpowszechnianie wiadomości
o zbliżającym się zagrożeniu za pomocą sprzężonych z systemem
telefonów komórkowych oraz wszystkich odbiorników QZSS zainstalowanych w wybranych miejscach publicznych. Wiadomość
ta będzie zawierała informację o rodzaju zagrożenia oraz wskazówki dotyczące przebiegu i miejsca ewakuacji. W przyszłości
planowane jest także włączenie w system DC Report licznych
portali, co zapewni zwiększenie dostępności rozsyłanych ostrzeżeń [12], [20].
Biorąc pod uwagę korzyści, jakie może przynieść system
QZSS, w szczególności sygnały L1–SAIF i LEX, można stwierdzić,
że system ten znajdzie szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach
gospodarki. I tak na przykład w przypadku transportu drogowego
zakłada się, może zbyt optymistycznie, że każdy pojazd lądowy
znajdujący się w Japonii w zasięgu systemu będzie wyposażony
w jego odbiornik. Dzięki temu wymiana informacji o wzajemnym
położeniu przemieszczających się pojazdów umożliwi automatyczne prowadzenie samochodu [20].
Sygnał LEX zapewni możliwość wykonywania różnego rodzaju prac związanych z geodezją czy też operowaniem maszynami
budowlanymi z dokładnością do kilku centymetrów. Korzystanie z systemu będzie także możliwe za pośrednictwem telefonu komórkowego, wystarczy jedynie umieścić w nim odbiornik
sygnałów L1 C/A i L1–SAIF, rozmiaru karty pamięci wewnętrznej.
Dzięki użyciu kompatybilnych aplikacji użytkownik będzie mógł
korzystać z nawigacji satelitarnej z dodatkowymi funkcjami. Aplikacje te umożliwią między innymi wyświetlanie opisu danego
miejsca, na podstawie współrzędnych określonych za pośrednictwem satelitów, w tym QZSS [17], [22].
WNIOSKI
•
Pełna zdolność operacyjna systemu QZSS, tzw. FOC (Full
Operational Capability), zostanie ogłoszona w 2018 roku, gdy
segment kosmiczny będzie liczył 4 satelity (3 IGSO, 1 GEO).
Przewiduje się jednak, że liczba ta już w niedalekiej przyszłości
będzie zwiększona do siedmiu.
System QZSS jest pierwszym w historii systemem satelitarnym,
w którym jeden z emitowanych sygnałów będzie w pełni kompatybilny z sygnałem o tej samej częstotliwości i nazwie innego systemu. Sygnałem takim jest i będzie sygnał L1C, zaś tym innym
systemem – GPS.
System QZSS to pierwszy i – jak dotychczas – jedyny nawigacyjny system satelitarny, który kwalifikowany jest przez jednych
jako przyszłościowy autonomiczny system regionalny (zasięg
ograniczony do dalekowschodniej Azji i Australii), wykorzystywany do określania pozycji w wersji QZSS – non SBAS, a przez
innych, jako wspomagający (poprawki otrzymywane z satelitów
systemu), wykorzystywany już obecnie w wersji QZSS – SBAS.
Dlatego też część użytkowników i publicystów (wśród nich również autor) traktuje ten system jako regionalny i jednocześnie
wspomagający.
•
•
WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE z ROCZNIK LXXXV z nr 4/2016
•
System QZSS, dzięki swym nachylonym orbitom geosynchronicznym, jest dotychczas jedynym satelitarnym systemem wspomagającym, który umożliwi w przyszłości nieprzerwany odbiór
sygnałów z satelitów również w rejonach o ograniczonej widzialności, w szczególności w wielkich aglomeracjach miejskich o wysokiej zabudowie, tzw. miejskich kanionach i rejonach górzystych.
O ile w porównaniu ze wszystkimi NSS i SBAS, zarówno już
funkcjonującymi, jak i dopiero planowanymi, liczba sygnałów
i częstotliwości, na których są one emitowane przez satelity, jest
w systemie QZSS praktycznie tego samego rzędu, to w przypadku depesz, których już sześć zostało zdefiniowanych, jest ona
największa. Każda z czterech częstotliwości nośnych QZSS jest
zgodna z częstotliwością co najmniej jednego NSS.
System QZSS i budowany obecnie system BeiDou to, jak do
tej pory, jedyne systemy satelitarne, w których znalazła zastosowanie orbita IGSO. Dotychczas bowiem segment kosmiczny tych
systemów tworzyły wyłącznie satelity NSS okrążające Ziemię po
średnich orbitach kołowych (MEO) oraz satelity SBAS na orbicie
geostacjonarnej (GEO).
•
•
LITERATURA
[1] Hofmann-Wellenhof B. et al. 2008. GNSS Global Navigation Satellite
Systems GPS, GLONASS, Galileo & more. Wien NewYork: Springer.
[2] Groves P.D. 2008. Principles of GNSS Applications and Methods.
Boston/London: Artech House.
[3] IS-GPS-800D, Interface Specification, Revision D, Global Positioning
Systems Directorate, USA, 2014
[4] IS-QZSS, Interface Specification, Draft V1.0, Japan Aerospace Exploration Agency, Japonia, 2008
[5] IS-QZSS, Interface Specification, Draft V1.6, Japan Aerospace Exploration Agency, Japonia, 2014
[6] Januszewski Jacek. 2009. „Depesza nawigacyjna systemów satelitarnych obecnie i w przyszłości”. Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne. 82 (10).
[7] Januszewski Jacek. 2012. „Nowe depesze nawigacyjne systemu satelitarnego GPS oraz budowanych systemów Galileo i QZSS”. Przegląd
Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne. 85 (10)
[8] Januszewski Jacek. 2014. „Perspektywy rozwoju nawigacyjnych
i wspomagających systemów satelitarnych w bliskiej i dalszej przyszłości”. Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne. 87 (5).
[9] Japan Aerospace Exploration Agency, QZSS Project Team: Current
status of Quasi-Zenith Satellite System, 4 International Committee on
GNSS, Saint-Petersburg, 2009
[10] Kishimoto M., S. Kogure. 2012. „Michibiki (QZSS-1) and Space Service
Volume” 7 International Committee on GNSS, Pekin.
[11] Nomura E. 2014. „Japan’s New Space Policy and the Importance of
QZSS in the Policy”. W Munich Satellite Navigation Summit.
[12] Nomura E. 2014. „Project Overview of Quasi-Zenith Satellite System”.
W Munich Satellite Navigation Summit.
[13] Sakai T. 2014. „Quasi-Zenith Satellite System L1-SAIF Augmentation
Signal”. W Munich Satellite Navigation Summit.
[14] www.directory.eoportal.org
[15] www.global.jaxa.pl
[16] www.gpsworld.com
[17] www.igs.org
[18] www.insidegnss.com
[19] www.mycoordinates.org
[20] www.qzs.jp
[21] www.qz-vision.jaxa.jp
[22] www.unoosa.ion.org
111