andrzej banachowicz - Akademia Morska w Gdyni

andrzej banachowicz - Akademia Morska w Gdyni

nr 21
PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO
AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI
2008
JACEK JANUSZEWSKI
Akademia Morska w Gdyni
Katedra Nawigacji
NAWIGACYJNE SYSTEMY SATELITARNE,
STAN DZISIEJSZY I PERSPEKTYWY
Streszczenie: Kilka ostatnich lat przyniosło wiele istotnych zmian w statutach operacyjnych
i parametrach eksploatacyjnych nawigacyjnych systemów satelitarnych GPS i GLONASS, odmianie
różnicowej tychże systemów oraz satelitarnych systemów wspomagających SBAS, takich jak
EGNOS i WAAS. Dlatego też w artykule omówiono rozległe plany modernizacyjne w/w systemów
dotyczące między innymi nowych generacji satelitów, nowych sygnałów przeznaczonych dla
użytkowników cywilnych, nowych stacji śledzących, przedstawiono również szczegółowe dane
o systemach obecnie budowanych, takich jak Galileo i Compass (systemy globalne), GAGAN
(wspomagający) oraz QZSS i IRNS (regionalne).
WPROWADZENIE
Ostatnie lata to okres bardzo dynamicznego rozwoju nawigacyjnych
systemów satelitarnych, zarówno tych globalnych, jak i regionalnych
i wspomagających. Znaczące zmiany można odnotować również w różnego
rodzaju wersjach odmiany różnicowej tychże systemów. Bieżący status oraz
szczegółowe plany modernizacyjne poszczególnych systemów przedstawiane
są na wielkich międzynarodowych konferencjach poświęconym systemom
satelitarnym (np. European Navigation Conference, Technical Meeting of The
Institute of Navigation) oraz w licznych artykułach publikowanych na łamach
literatury specjalistycznej (np. European Journal of Navigation, GPS World,
Inside GNSS).
Obecnie liczbę użytkowników tych systemów na świecie szacuje się od 50
do 100 mln, przy czym rzeczywista ich liczba jest trudna do zdefiniowania.
W praktyce zdecydowana większość użytkowników korzysta z odbiorników
systemu GPS określających swą pozycję na podstawie odbioru sygnałów
jedynie na częstotliwości L1 z wykorzystaniem kodu C/A.
55
1. SYSTEM GPS
Od kilku już lat system GPS jest jedynym, w pełni operacyjnym,
nawigacyjnym systemem satelitarnym o zasięgu globalnym, powszechnie
używanym nieodpłatnie we wszystkich rodzajach transportu i innych
dziedzinach gospodarki oraz w życiu codziennym przez coraz większą liczbę
użytkowników indywidualnych.
Rozpoczęcie budowy systemu Galileo, a ostatnio również systemu
Compass, sprawiło, że zarządzający systemem GPS podjęli szereg decyzji
dotyczących zakrojonej na szeroką skalę takiej modernizacji systemu, by po jej
zakończeniu parametry GPS z punktu widzenia użytkowników cywilnych nie
były gorsze od tych, jakie zapewnić mają w przyszłości budowane systemy.
Przez parametry systemu należy tu rozumieć liczbę i rodzaj sygnałów oraz
serwisów dostępnych dla poszczególnych użytkowników, a także strukturę
segmentu naziemnego.
1.1. Segment kosmiczny
Na przełomie stycznia i lutego 2008 segment kosmiczny liczył 30 satelitów operacyjnych, w tym 13 należących do bloku IIa, 12 do bloku IIR i 5 do
bloku IIR−M. Na orbitach A, B, C i E znajdowało się po 5 satelitów, a na
orbitach D i F odpowiednio 4 i 6. Najdłużej funkcjonującym, bo od marca 1992
roku, czyli od przeszło 15 już lat, był znajdujący się na orbicie A satelita bloku
IIa, oznaczony numerem PRN = 25. Na wszystkich orbitach satelity rozmieszczone były nierównomiernie. Jedną z głównych przyczyn wyłączenia
z eksploatacji satelitów bloku IIa jest przedłużająca się awaria, czy też wręcz
definitywne zaprzestanie swej działalności przez ostatni sprawny wzorzec
czasu.
W wypadku satelitów najnowszej obecnie wersji, czyli należących do
bloku IIR–M (pierwszy z nich o numerze PRN=17 został wyniesiony w kosmos
w dniu 26 września 2005) emitowanych jest aż 6 sygnałów. Oprócz trzech
sygnałów (L1 C/A, L1 P/Y i L2 P/Y) emitowanych przez satelity poprzednich
wersji, czyli bloki II, IIa i IIR, do użytkownika docierają dwa sygnały
o przeznaczeniu wyłącznie wojskowym (L1M i L2M) i jeden ogólniedostępny
L2C.
Dla użytkownika cywilnego oznacza to, że jego pozycja nadal będzie
mogła być określana jedynie za pomocą odbiorników jednoczęstotliwościowych, czyli bez możliwości obliczenia i uwzględnienia poprawki
jonosferycznej. Stanie się to bowiem możliwe dopiero wtedy, gdy liczba
56
satelitów operacyjnych transmitujących dwa sygnały dostępne dla użytkowników cywilnych (L1 C/A i L2C) wzrośnie na tyle, że co najmniej cztery z nich
będą widoczne powyżej przyjętej w odbiorniku dolnej granicznej wysokości
topocentrycznej w dowolnym momencie i dowolnym miejscu na kuli
ziemskiej. Może to jednak nastąpić dopiero za kilka lat, gdyż na Europejskiej
Konferencji Nawigacyjnej, która odbyła się pod koniec maja 2007 roku
w Genewie, przedstawiciele administracji amerykańskiej oznajmili, że 24 satelitów operacyjnych transmitujących sygnały L1 C/A i L2C należy spodziewać
się nie wcześniej niż w 2014 roku.
Przewiduje się, że niebawem łączna liczba satelitów bloku IIR–M
wyniesie 8, w najbliższych kilkunastu miesiącach zostanie wyniesionych w
kosmos ostatnich 5. Jednocześnie trwają intensywne prace nad kolejną wersją
satelitów – blokiem IIF (F od słowa future, czyli przyszłość). Satelity należące
do tego bloku emitować będą 7 sygnałów, oprócz sześciu charakteryzujących
w/w blok IIR–M będzie to emitowany na częstotliwości 1176,45 MHz
ogólniedostępny sygnał, oznaczony symbolem L5. Oznacza to więc, że satelity
IIF emitować będą aż trzy sygnały przeznaczone dla użytkowników cywilnych.
27 sierpnia 2007 roku pierwszy satelita bloku IIF przeszedł pomyślnie
specjalistyczne testy kontrolne w ośrodku Boeinga w El Segundo w Kalifornii.
Wyniesienie tego satelity w kosmos za pomocą rakiety Atlas V albo Delta IV
przewidywane jest na drugą połowę 2008 roku. Satelity bloku IIF zostaną
wyposażone w dwa wzorce rubidowe i jeden cezowy, a ich żywotność ma
wynieść 12 lat. Pełną zdolność operacyjną (FOC – Full Operation Capability)
co do możliwości transmisji przez 24 satelity sygnału L5 segment kosmiczny
osiągnie nie wcześniej niż w 2016 roku. Termin ten będzie uzależniony przede
wszystkim od tempa wymiany satelitów poprzednich bloków IIa i IIR–M na
satelity bloku IIF. Z tą chwilą użytkownicy określający swą pozycję na
poziomie dokładności SPS (Standard Positioning Service) będą mogli
wykorzystywać sygnały L1 C/A, L2C i L5, zaś na poziomie PPS (Precise
Positioning Service) oprócz trzech w/w również L1 P(Y), L2 P(Y), L1(M),
L2(M).
Rozpoczęte już prace nad systemem GPS trzeciej generacji, GPS III,
zakładają, że docelowo segment kosmiczny będzie się składał wyłącznie z
satelitów nowego bloku III. Satelity te transmitować będą między innymi
sygnały pozwalające, tak jak w serwisie SOL systemu Galileo, poinformować
użytkownika o utracie integralności systemu w czasie określonej granicy
alarmu czasowego oraz sygnał L1C kompatybilny z sygnałem systemu Galileo.
Pierwszy satelita ma pojawić się na orbicie w 2013 roku, a pełna zdolność
operacyjna systemu co do emisji tego sygnału, przez co najmniej przez
57
24 satelity, przewidywana jest na rok 2021 lub jeszcze później. Zakłada się, że
budowa bloku III zostanie podzielona na trzy etapy, oznaczone symbolami A,
B i C. W etapie A blok ten liczyć będzie 27 satelitów rozmieszczonych
niesymetrycznie na 6 orbitach o wysokości 20181 km i kącie inklinacji 55°.
W dniu 18 września 2007 prezydent USA w swojej dyrektywie oznajmił,
że satelity bloku III nie będą miały już możliwości pogarszania dokładności
pozycji określanej przez użytkowników cywilnych, gdyż na ich wyposażeniu
nie znajdzie się aparatura wywołująca zakłócenia sygnału SA (Selective
Availability).
1.2. Segment naziemny
Od chwili powstania system GPS liczył jedną stację główną i 5 stacji
śledzących podległych amerykańskim Siłom Powietrznym (Air Force),
z których 3 pełniły jednocześnie rolę stacji korygujących. Taka liczba stacji
śledzących i ich rozmieszczenie nie gwarantowała jednak nieprzerwanego
śledzenia satelitów przez co najmniej jedną z nich. Decyzja sprzed kilku lat
o włączeniu do sieci stacji znajdującej się w Cap Canaveral na Florydzie
i nadaniu jej charakteru stacji śledzącej (również i korygującej) była już
rozwiązaniem problemu, ale nie optymalnym, gdyż prawidłowe funkcjonowanie systemu wymaga, by każdy satelita był w dowolnym momencie śledzony
nie przez jedną, a kilka stacji.
Zapowiedź budowy systemu Galileo, w którym segment naziemny liczyć
ma 2 stacje główne i co najmniej 20 stacji śledzących, wpłynęła z pewnością na
plany modernizacyjne systemu GPS. W 2005 roku segment naziemny systemu
GPS został rozszerzony o sześć stacji funkcjonujących w ramach Narodowej
Agencji Map NIMA (National Imagery Mapping Agency) leżących
w Argentynie, Australii, Bahrajnie, Ekwadorze, Waszyngtonie (stolicy USA)
oraz w Wielkiej Brytanii. W niedalekiej przyszłości planuje się włączenie do
sieci stacji śledzących kolejnych sześciu stacji NIMA znajdujących się
St. Louis i na Alasce (USA), Tahiti, RPA, Nowej Zelandii i Korei Południowej.
Przyjęte rozmieszczenie stacji sprawi, że każdy satelita w dowolnym momencie
śledzony będzie przez co najmniej trzy stacje.
Spośród w/w stacji aż 5 (Alaska, Australia, Nowa Zelandia, RPA i Wielka
Brytania) leży z dala od równika, co zwiększa możliwości śledzenia satelitów
podczas ich przelotów nad rejonami okołobiegunowymi. Dlatego też dobór
stacji NIMA był taki, a nie inny, tym bardziej, że również w systemie Galileo
4 stacje śledzące mają być zlokalizowane na dużych szerokościach geograficznych (po 2 na obu półkulach).
58
Jednocześnie trwają prace nad przystosowaniem wszystkich stacji
segmentu naziemnego do ich funkcjonowania w ramach systemu GPSIII.
Zakończenie tych prac, w których zaangażowane są trzy wielkie koncerny –
Boeing, Lockheed Martin i Raytheon – przewidziane jest na lata 2011–2012.
W systemie GPS segment naziemny liczy obecnie jedną stację główną
(kontrolno–sterującą) zlokalizowaną w Colorado Springs w stanie Kolorado.
Plany modernizacyjne tego systemu przewidują budowę drugiej stacji głównej
w bazie Vanderberg w stanie Kalifornia. I w tym wypadku można z dużym
prawdopodobieństwem stwierdzić, że na decyzję tę wpłynęła również
zapowiedź, że w budowanym systemie Galileo mają być dwie stacje główne.
W dniach 10–14 września 2007 roku, w ramach zakrojonej na szeroką skalę
zmian (AEP – Archicture Evolution Plan), przeprowadzono gruntowną
modernizację oprogramowania segmentu naziemnego, która zastąpiła
poprzednią strukturę OCS (Operational Control Segment). Modernizacja ta
dotyczyła przede wszystkim baz danych i wymiany informacji między
poszczególnymi stacjami segmentu.
1.4. Odmiana różnicowa
Od wielu lat liczba stacji naziemnych transmitujących poprawki
odmiany różnicowej GPS wzrasta nieprzerwanie. W roku 2007 stacje te są
już zainstalowane w 42 państwach całego świata. Status operacyjny ma 239
stacji, na etapie prób jest 52, zaś 11 jest w planach. Wzrasta również liczba
państw, na terenie których znajdują się stacje w pełni operacyjne, w 2007
jest ich już 31.
Obecnie najwięcej stacji operacyjnych jest w USA (39), wliczając
wybrzeże wschodnie, zachodnie, Alaskę i Hawaje, Japonii (27), Chinach
(21), Indiach (19). W Europie państwem o największej liczbie takich stacji
była Norwegia (12), ale już w niedalekiej przyszłości sytuacja ta może się
zmienić, gdyż w Hiszpanii, gdzie są 2 stacje operacyjne na etapie prób jest
kolejnych 13.
2. SYSTEM GLONASS
Pod koniec 2007 roku system GLONASS nie zapewniał możliwości
ciągłego określania pozycji użytkownika na całym świecie. Przyczyną tego był
przede wszystkim fakt, że liczba satelitów operacyjnych systemu nadal jest
zdecydowanie mniejsza od nominalnej (24). Do anteny odbiornika użyt59
kownika docierają sygnały najczęściej z dwóch, trzech, a niekiedy czterech
satelitów; dzieje się tak też dlatego, że liczba satelitów operacyjnych na
poszczególnych orbitach jest różna.
Obecnie realizowany jest program modernizacji i rozwoju systemu
−
Federalny Program GLONASS na lata 2001
−2011, uchwalony 20 sierpnia
2001 roku przez rząd Federacji Rosyjskiej. W dniu 14 lipca 2006 roku do
programu tego wniesiono szereg poprawek i uzupełnień, zakładających między
innymi:
• wzrost nakładów finansowych w latach 2007−2011,
• przyspieszenie prac nad jak najszybszym przywróceniem pełnej, liczącej 24
satelity operacyjne, konstelacji,
• uruchomienie na skalę masową odbiorników przewidzianych dla użytkowników cywilnych,
• kompatybilność z innymi nawigacyjnymi systemami satelitarnymi,
• uruchomienie w ramach systemu serwisu poszukiwania i ratownictwa SAR
(Serach and Rescue). Satelity trzeciej generacji K zostaną wyposażone
w urządzenia zdolne do odbioru sygnału 406 MHz radiopław awaryjnych;
• satelity generacji K oprócz sygnałów L1 i L2 emitować będą na potrzeby
użytkowników cywilnych sygnały na częstotliwości L3 z przedziału
1201,743 − 1208,511 MHz. Zakłada się też, że transmisja obejmie poprawki
różnicowe i informacje o integralności (integrity).
W 2002 roku w Federacji Rosyjskiej rozpoczęto prace nad budową dwóch
różnych systemów związanych z obecnie już funkcjonującymi systemami
satelitarnymi. Pierwszy z nowobudowanych systemów ma monitorować
integralność systemów GLONASS i GPS, a drugi transmitować poprawki
różnicowe do obydwu tych systemów. Po pewnym czasie zdecydowano jednak
o połączeniu obu tych projektów w jeden o nazwie SDCM (System for
Differential Corrections and Monitoring). Zakłada się, że system SDCM będzie
gotowy do roku 2012, a dokładność pozycji użytkownika na terytorium
Federacji Rosyjskiej wyniesie 1,5 m w płaszczyźnie poziomej i 3 m w pionowej (prawdopodobieństwo 99,7%). Główne centrum przetwarzania danych
zlokalizowano w Moskwie, a pierwszych sześć z osiemnastu stacji
referencyjnych planowanych na terytorium Federacji Rosyjskiej przewidziano
w następujących miejscowościach: Irkuck, Kabarowsk, Kisłowodsk, Norilsk,
Petropawłowsk i Pułkowo koło Sankt Petersburga. Lokalizację kolejnych stacji
przewiduje się również w innych państwach. Kolejne stacje znajdować się będą
za granicą. Stację korygującą przesyłającą dane do satelity geostacjonarnego
systemu umiejscowiono w południowej części środkowej Rosji w Nowosybirsku. Poprawki transmitowane będą na częstotliwości 1575,42 MHz
60
w formacie stosowanym w systemach SBAS, co umożliwi w przyszłości pełną
kompatybilność z funkcjonującymi już systemami WAAS i EGNOS.
31 sierpnia 2007 zarządzający systemem GLONASS podjęli decyzję, że od
20 września tego roku układem odniesienia w tym systemie będzie układ
PZ–90.02 (Earth Parameters 1990). Pod koniec 2007 roku do masowej
sprzedaży na rynku rosyjskim mają trafić odbiorniki systemu GLONASS
przeznaczone dla użytkowników cywilnych.
W systemie GLONASS stosowana jest technika wielodostępu z podziałem
częstotliwości FDMA (Frequency Division Multiple Access). Z uwagi jednak
na to, że w systemie GPS oraz w budowanych obecnie systemach Compass
i Galileo stosowana jest technika z podziałem kodowym CDMA (Code
Division Multiple Access), coraz liczniejsze i częstsze pojawiają się głosy, żeby
technika ta obowiązywała również w systemie GLONASS.
Realizowany w/w program modernizacji zakłada, że o ile nie wystąpią
nieprzewidziane wydarzenia, to w 2009 roku segment kosmiczny liczyć będzie
18 lub więcej satelitów operacyjnych, dzięki czemu pozycja użytkownika
będzie mogła być określana, z mniejszym lub większym błędem, ale
w dowolnym momencie i dowolnym miejscu na całej kuli ziemskiej.
2.1 Segment kosmiczny
W połowie lutego 2008 roku segment kosmiczny liczył 16 satelitów
(5 na orbicie I, 6 na II i 5 na III), w tym jedynie 14 operacyjnych oraz
2 znajdujące się w fazie konserwacji (in maintenance).
Najstarszym obecnie satelitą operacyjnym, bo funkcjonującym od grudnia
2004, był znajdujący się na orbicie I pozycja 4 satelita oznaczony numerem
795. Spośród tych 16 satelitów 12 jest nowej generacji M (od rosyjskiego słowa
„modernizowannyj”), zaś 4 pozostałych poprzedniego bloku IIw. W przeciwieństwie do systemu GPS w systemie GLONASS status poszczególnych
satelitów zmienia się bardzo często, np. kilka miesięcy wcześniej, bo w dniu
8 października 2007 segment kosmiczny liczył więcej, bo 17 satelitów, ale
operacyjnych było tylko 9, nieoperacyjnych 4, chwilowo wyłączonych 3
i jeszcze nieuruchomionych (commissioning phase) 1.
Zapowiadane od lat zwiększenie liczby satelitów operacyjnych wciąż
napotyka na liczne przeszkody, dopiero 25 października 2007, czyli z dwumiesięcznym opóźnieniem, wprowadzono na orbitę 3 satelity drugiej generacji
typu M. Opóźnienie to spowodowane było zakazem startu rosyjskich rakiet
z kosmodromu Bajkonur w Kazachstanie, który wprowadzono na początku
września 2007 po katastrofie rosyjskiej rakiety wynoszącej w kosmos
japońskiego satelitę telekomunikacyjnego. Kolejne trzy satelity, oznaczone
61
numerami 721, 722 i 723, także typu M, znalazły się na orbicie II pod koniec
2007 roku, czyli tradycyjnie 25 grudnia.
Trzecia faza programu modernizacji GLONASS zakłada powstanie
satelitów kolejnej, trzeciej generacji K, które w stosunku do swoich
poprzedników charakteryzować się będą mniejszymi wymiarami i mniejszą
wagą. Prototyp satelity ma znaleźć się na orbicie już w 2008 roku, a pierwsze
satelity operacyjne rok później. Satelity tego bloku emitować będą trzy dodatkowe sygnały przeznaczone dla użytkowników cywilnych – L3PT z techniką
FDMA oraz międzyoperacyjne z sygnałami systemów GPS i Galileo sygnały
L1CR i L5R z techniką CDMA.
Plany modernizacji przewidują także budowę satelitów czwartej generacji
KM o żywotności przekraczającej 10 lat. Satelitów tych można się jednak
spodziewać dopiero w 2015 roku lub jeszcze później.
2.2. Segment naziemny
Stacja główna znajduje się w miejscowości Krasnoznamensk, do 1994
roku znanej jako Glicyno-2, leżącej około 70 km na południowy-zachód od
Moskwy. Stacje śledzące Sankt Petersburg, Jenisejsk, Komsomolsk nad
Amurem i Szelkowo, pełniące jednocześnie rolę stacji korygujących, zlokalizowane są wyłącznie na terytorium Federacji Rosyjskiej. W niedalekiej
przyszłości planuje się uruchomienie czterech kolejnych stacji pełniących te
same funkcje, co już funkcjonujące. Stacje te zlokalizowane mają być
w południowej części Rosji w następujących miejscowościach: Irkuck, Kabarowsk, Mendelejewo, Nowosybirsk. Zgodnie z planami przewiduje się też
uruchomienie w Plesiecku nowej stacji wystrzeliwującej rakiety nośne z satelitami systemu GLONASS, to z tej stacji, a nie jak dotąd z ww. kosmodromu
Bajkonur, wynoszone będą w kosmos satelity trzeciej generacji K.
2.3. Odmiana różnicowa
W tomie 2 Admiralty List of Radio Signals, wydanie 2007/2008 [1],
wymienione są trzy stacje referencyjne odmiany różnicowej systemu
GLONASS – dwie operacyjne, zlokalizowane w Yenikal’skiy i Zmeinniy na
Ukrainie nad Morzem Czarnym oraz jedna znajdująca się na etapie prób
w rosyjskim Bałtyjsku nad Morzem Bałtyckim. Odmiana różnicowa tego
systemu znalazła zastosowanie również na rynku komercyjnym. Firma Veripos,
specjalizująca się w transmisji poprawek różnicowych systemu GPS dla
użytkowników pracujących w górnictwie morskim, wykorzystuje własne stacje
w Brazylii, Catu i Macae, do transmisji poprawek również systemu GLONASS.
62
Poprawki te w postaci wiadomości typu 31 i 32 nadawane są na częstotliwościach 500 kHz i 1500 kHz w formacie RTCM SC – 104, wersja 2.2.
Warunkiem określenia pozycji jest posiadanie, prócz odbiornika systemu
GLONASS, specjalnego modulatora. Na rynku dostępny jest już opracowany
specjalnie w tym celu model GPS/GLONASS Odyssey – RS firmy Topcon.
3. BUDOWA SYSTEMU GALILEO
W dniu 26 marca 2002 roku podjęto decyzję o budowie przez Europę
systemu Galileo. Według ówczesnych optymistycznych prognoz system ten
miał być oddany do eksploatacji już w 2008 roku, jednak wraz z upływem
czasu termin ten zaczął się oddalać coraz bardziej.
Pierwszy testowy satelita systemu GIOVE–A został wyniesiony w kosmos
27 grudnia 2005. Na pokładzie zainstalowano dwa wzorce rubidowe, pierwszy
z nich został włączony 10 stycznia 2006 roku. Dwa dni później odebrano
pierwsze sygnały emitowane przez tegoż satelitę.
W dniu 7 listopada 2006 roku w leżącym niedaleko Monachium
Oberpfaffenhofen rozpoczęła działalność pierwsza stacja kontrolna. Zbudowana kosztem 16 mln euro zatrudni docelowo co najmniej 100 specjalistów.
Wyniki pomiarów zrealizowanych na podstawie odbioru sygnałów docierających z GIOVE–A pozwalają stwierdzić, że wstępne założenia co do osiągnięć
trzech serwisów – otwartego (OS), komercyjnego (CS) i bezpieczeństwa życia
(SOL) mogą zostać spełnione.
W 2007 roku zakładany termin oddania do eksploatacji systemu Galileo –
rok 2011 ponownie został zagrożony. Z jednej strony prasa specjalistyczna
pełna jest bardzo wyczerpujących i jednocześnie szczegółowych artykułów na
temat parametrów poszczególnych sygnałów, wzajemnej współpracy stacji
naziemnych, pierwszych odbiorników systemu itp., z drugiej jednak na światło
dzienne wyszły spory co do dalszego finansowania budowy systemu
i przyszłego podziału spodziewanych zysków, a te mają być wprost ogromne.
W połowie 2007 roku w prasie europejskiej, w tym i polskiej, co kilka
tygodni ukazywały się artykuły informujące o przebiegu sporu. Na początku
czerwca ministrowie transportu krajów Unii Europejskiej (UE) ostatecznie
zdecydowali, że budowa systemu Galileo zostanie sfinansowana w całości
z pieniędzy publicznych. Kompletnym niewypałem okazał się bowiem,
forsowany przez lata, pomysł budowy systemu w ramach partnerstwa
publiczno–prywatnego (tzw. public partner ship). Zakładano, że dwie trzecie
z łącznych kosztów szacowanych na 3,6 mld euro, czyli 2,4 mld, pokryje
konsorcjum ośmiu firm z pięciu największych państw unijnych – Francji,
63
Hiszpanii, Niemiec, Wielkiej Brytanii i Włoch w zamian za zyski z przyszłej
eksploatacji systemu. Przez dwa lata firmy te nie potrafiły jednak porozumieć
się między sobą, jak te zyski podzielić. Wcześniej w budżecie Unii
Europejskiej na lata 2007–2013 zaplanowano 1,2 mld euro.
W połowie września 2007 roku Komisja Europejska zdecydowała, że
brakujące 2,4 mld będą pochodzić z budżetów na dopłaty rolne, które zdaniem
Komisji nie zostaną wykorzystane w latach 2007–2008 (2,1 mld) oraz
z budżetu na badania naukowe (300 mln). Na październikowym spotkaniu
w Luksemburgu ministrów transportu państw Unii Europejskiej na plan ten nie
zgodziły się jednak Niemcy. Ich zdaniem bowiem pieniądze na budowę
systemu winny wykładać te państwa, których firmy będą dostawać lukratywne
kontrakty na budowę. W tej sytuacji losy budowy systemu stanęły znów pod
znakiem zapytania. Dopiero w listopadzie 2007 roku ministrowie finansów
Unii zdecydowali, że niewykorzystane kwoty z budżetu UE na lata 2007–2013
zostaną przeznaczone na rozwój systemu Galileo, a w ostatnich dniach tego
miesiąca ministrowie transportu UE uzgodnili zasady podziału lukratywnych
kontraktów na budowę systemu. Umowy na budowę satelitów, stacji segmentu
naziemnego oraz zarządzanie całym projektem zostaną podzielone na sześć
pakietów, ale jedna firma będzie mogła dostać większość zleceń tylko w dwóch
pakietach. Powstanie też sieć krajowych ośrodków kontroli, które utworzą
Hiszpania, Niemcy i XXXX.
Pod koniec 2007 roku na orbitę miał zostać wprowadzony drugi testowy
satelita GIOVE–B, ale jego start przełożono na marzec 2008 roku. Na jego
pokładzie po raz pierwszy w historii będzie zainstalowany pasywny maser
wodorowy. W 2008 roku na orbicie pojawić się też ma kolejny satelita testowy
GIOVE–A2. Obecnie (luty 2008) nad projektem Galileo pracuje ponad tysiąc
naukowców, realizowanych jest przeszło 400 kontraktów. Pierwsze cztery
satelity operacyjne mają być gotowe do wyniesienia w kosmos w 2009 roku,
a pełną zdolność operacyjną (FOC), według ostatnich ustaleń, system ma
osiągnąć za 4 lata lub później, co oznacza, że z systemu Galileo będzie można
korzystać nie wcześniej niż w 2013 roku. Tym samym opóźnienia w stosunku
do pierwotnego harmonogramu wynoszą już 5 lat. Dla Europy sprawą bez
wątpienia niezwykle prestiżową będzie oddanie do eksploatacji systemu
Galileo wcześniej niż Chiny zakończą budowę swego systemu Compass.
Przewiduje się, że łącznie na budowę i utrzymanie systemu do końca
2030 roku potrzebnych będzie co najmniej 10 mld euro, ale cztery piąte tej
kwoty Unia zamierza w przyszłości odzyskać. Zwrot ten może okazać się
jeszcze większy, jeśli za usługi systemu będzie płacić wojsko i policja państw
członkowskich.
64
4. BUDOWA SYSTEMÓW COMPASS, QZSS, GAGAN i IRNS
W 2007 roku kontynuowana była budowa czterech kolejnych systemów
satelitarnych – Compass, QZSS, GAGAN i IRNS przez trzy wielkie państwa
Azji, Chiny, Japonię i Indie.
W pierwszych latach XXI wieku Chiny rozpoczęły budowę nowego,
własnego nawigacyjnego systemu satelitarnego. Pierwsze satelity tego systemu
nosiły nazwę Beidou, a początkowa nazwa systemu, którego zasięg
i zastosowanie było ograniczone jedynie do Chin, była Beidou − 1.
W ostatnich latach zmieniała się ostateczna koncepcja budowanego
systemu, ostatecznie przyjęto, że będzie on o zasięgu i zastosowaniu
globalnym, by w niedalekiej przyszłości dołączyć do wielkiej trójki systemów,
czyli GPS, GLONASS i Galileo. Przyjęto też nową nazwę systemu − Compass.
W lutym 2008 roku można już stwierdzić, że segment kosmiczny ma
liczyć łącznie 35 satelitów, w tym 27 na orbitach średnich (MEO – Medium
Earth Orbit), 3 na nachylonej orbicie geosynchronicznej (IGSO – Inclined GeoSynchronous Orbit) i 5 geostacjonarnych (GEO – Geosynchronous Earth
Orbit), z których trzy już funkcjonują. Wysokość orbity MEO wynosi 21550
km, a kąt inklinacji 55O. Pierwszy satelita MEO, oznaczony symbolem M–1,
znalazł się na orbicie 14 kwietnia 2007. Kąt inklinacji orbity IGSO wynosi 55O,
a długość geograficzna węzła wstępującego 118O. Pierwszy satelita na orbicie
IGSO znalazł się w drugiej połowie 2007. Długość geograficzna pięciu
satelitów GEO wynosi 058,75O E, 080O E, 110,5O E, 140O E i 160O E.
Satelity Compass emitować będą sygnały na czterech częstotliwościach
nośnych (1589,74 MHz (E1), 1561,1 MHz (E2), 1268,52 MHz (E6) i 1207,14
MHz) (E5b). Dostęp do właściwego kanału radiowego zapewni technika
wielodostępu z podziałem kodowym CDMA.
Przewiduje się, że system oferować będzie znajomość współrzędnych pozycji,
wektora prędkości i czasu poprzez dwa serwisy – ogólnodostępny dla
użytkowników cywilnych i wysokiej dokładności dla użytkowników
wojskowych i autoryzowanych. Pełną zdolność operacyjną system Compass ma
osiągnąć w 2012 roku.
W 2009 roku ma zostać wprowadzony na nachyloną orbitę
geosynchroniczną IGSO pierwszy z trzech satelitów nowego japońskiego
systemu satelitarnego QZSS (Quasi Zenith Satellite System), zaliczonego do
systemów regionalnych. Parametry tej orbity (kąt inklinacji 45°, długość
geograficzna węzła wstępującego 137,7° E) zostały tak dobrane, by wysokość
topocentryczna przynajmniej jednego z tych satelitów była na wyspach
japońskich nie mniejsza niż 70°. Umożliwi to korzystanie z nawigacji
65
satelitarnej również w gęstej zabudowie miejskiej oraz obszarach górzystych,
gdyż dla użytkowników japońskich wysokość topocentryczna satelitów
geostacjonarnych systemu wspomagającego MSAS wynosi w ich ojczystym
kraju około 45°. Satelity QZSS transmitować będą 6 sygnałów na 4 częstotliwościach (1575,42 MHz, 1227,60 MHz, 1278,75 MHz i 1176,45 MHz),
niektóre sygnały będą kompatybilne z sygnałami satelitów GPS i Galileo.
Segment naziemny liczyć ma 10 stacji śledzących, rozmieszczonych nie tylko
na terytorium Japonii, ale również na wyspach ją okalających.
Przewiduje się, że budowane przez Japonię systemy MSAS i QZSS będą
ze sobą ściśle współpracować. Obecnie można jednak stwierdzić, że ostateczny
kształt orbity systemu QZSS oraz liczba satelitów, które mają się na niej
znaleźć nie zostały jeszcze przesądzone.
W Indiach rozpoczęto budowę satelitarnego systemu wspomagającego
o nazwie GAGAN (GPS Aided Geo Augmentated Navigation), który swoim
zasięgiem obejmie południową Azję. Zapewnią to 3 satelity geostacjonarne
GAGAN–4, GAGAN–8 i GAGAN–9, odpowiednio na długości geograficznej 082° E, 034° E i 132° E. Pierwszy z nich ma się znaleźć na orbicie
już na początku 2008. Oprócz poprawek różnicowych i danych o integralności dla sygnałów na częstotliwościach L1 i L5, satelity te transmitować
będą sygnały umożliwiające w odbiorniku użytkownika pomiar pseudoodległości na tych dwóch częstotliwościach.
Segment naziemny tego systemu liczyć ma 15 stacji referencyjnych,
o znanych już lokalizacjach, zadaniem których będzie również bieżące
opracowywanie modelu jonosfery zalegającej nad kontynentem indyjskim.
W budowanym równolegle przez Indie systemie IRNS (Indian Regional
Navigational System), zaliczanym do systemów regionalnych, segment
kosmiczny składać się będzie z siedmiu satelitów, w tym trzech geostacjonarnych w/w systemu GAGAN oraz czterech satelitów na nachylonych
orbitach geosynchronicznych IGSO (po 2 satelity na dwóch orbitach o kącie
inklinacji 29° i długości geograficznej węzła wstępującego 055° E i 111° E).
Jedna z częstotliwości nośnych satelitów systemu ma być równa 1191,795
MHz. Przewiduje się, że dokładność pozycji użytkownika określanej za
pomocą odbiornika dwuczęstotliwościowego wyniesie około 9 m w płaszczyźnie horyzontalnej i około 12 w pionowej. Będzie to system zaliczany do
regionalnych, obejmujących swym zasięgiem przede wszystkim półwysep
indyjski.
66
5. STAN DZISIEJSZY I PLANY MODERNIZACYJNE
SATELITARNYCH SYSTEMÓW WSPOMAGAJĄCYCH
Obecnie funkcjonują trzy systemy satelitarne systemy wspomagające
SBAS:
• WAAS (Wide Area Augmentation System), obejmujący swoim zasięgiem
kontynent północnoamerykański. Po wyłączeniu w lipcu 2007 roku dwóch
satelitów Inmarsat
−3−F4(AOR−W) i Inmarsat−3−F3/POR segment
kosmiczny tworzą obecnie dwa satelity Intelsat Galaxy XV i TeleSat Anik
F1R, których długość geograficzna i numer PRN wynosi odpowiednio 133°
W i 107,3° W oraz 135 i 138. Pod koniec 2007 roku segment naziemny
liczył 29 stacji referencyjnych (WRS), 2 stacje główne (WMS) oraz 2 pary
stacji korygujących (GUS);
• EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) obejmujący
swoim zasięgiem Europę i północną część Afryki. Dwa satelity
Inmarsat−3−F2/AOR−E i Inmarsat−3−F5/IOR−W są w pełni operacyjne.
Ich długość geograficzna oraz numer PRN wynosi odpowiednio 015,5°
W i 025° E oraz 120 i 126. Trzeci satelita Artemis o długości geograficznej
021,5° E i numerze PRN 124 nadal znajduje się na etapie prób. Do końca
2007 roku liczący do tej pory 34 stacje śledzące RIMS segment naziemny
ma zostać rozszerzony o 4 kolejne − Abu Simbel w Egipcie, Agadir
w Maroku, Tamanrasset w Algerii i Tel Aviv w Izraelu, które swoim
zasięgiem obejmą rejony Morza Śródziemnego i Bliskiego Wschodu;
• MSAS (Multi-functional Transport Satellite Based Augmentation System),
obejmujący swoim zasięgiem Japonię i akweny ją okalające. Segment
kosmiczny liczy dwa satelity MTSAT
−1R i MTSAT−2, których długość
geograficzna i numer PRN wynosi odpowiednio 140° E i 145° E oraz 129
i 137. W dniu 27 września 2007 roku system MSAS uznany został za
operacyjny, jego głównym beneficjentem jest transport lotniczy.
We wszystkich tych trzech systemach wektor poprawki przekazywany jest
przez satelity geostacjonarne na częstotliwości L1 systemu GPS. W systemie
EGNOS przewidziano możliwości wspomagania również systemu GLONASS.
Obecnie głównymi odbiorcami systemów SBAS jest transport lotniczy.
WNIOSKI KOŃCOWE
• zapowiadane oddanie do eksploatacji systemu Galileo, a być może również
i Compass, ukończenie odbudowy systemu GLONASS oraz zmoderni67
zowanie systemu GPS sprawi, że w sposób znaczący zwiększą się
możliwości określania pozycji użytkownika w różnych warunkach,
szczególnie w miejscach o pogorszonej widzialności satelitów, odczuwalnie
dla każdego zwiększy się też dokładność owej pozycji,
warunkiem efektywnego wykorzystania wszystkich czterech ww. systemów
będzie zapewnienie ich pełnej kompatybilności, szczególnie istotnym jest
wcześniejsze przyjęcie jednego układu odniesienia i jednego, wspólnego dla
wszystkich czasu systemu,
modernizacja systemów funkcjonujących, zwłaszcza systemu GPS (dodatkowe kody i częstotliwości), wymusi na producentach opracowanie nowych
odbiorników, dzięki czemu dla użytkowników dostępne staną się modele
o znacznie szerszych niż obecnie możliwościach,
w satelitarnych systemach wspomagających na orbitę geostacjonarną
wprowadzane są kolejne satelity, a w segmencie naziemnym zwiększa się
liczba stacji śledzących,
z uwagi na to, że odbiornik systemu satelitarnego jest bardzo wiarygodnym
źródłem czasu, a znajomość dokładnego czasu znajduje zastosowanie w
coraz to liczniejszych dziedzinach, pojawiają się postulaty, by pojęcie GNSS
(Global Navigation Satellite System) zastąpić pojęciem GNTS (Global
Navigation Time System),
w kilku ośrodkach na świecie realizowane są, przede wszystkim celem
przeprowadzenia analizy porównawczej, nieprzerwane pomiary sygnałów
docierających z satelitów IIR–M systemu GPS, drugiej generacji M systemu
GLONASS, GIOVE–A systemu Galileo i pierwszego satelity MEO systemu
Compass,
najbliższe lata zapowiadają dalszą rywalizację między Europą a USA;
przewiduje się, że po oddaniu do eksploatacji systemu Galileo (2012–2013)
rozpocznie się budowa trzeciej generacji systemu GPS, a odpowiedzią
Europy ma być system Galileo II.
•
•
•
•
•
•
LITERATURA
1. Admirality List of Radio Signals, The United Kingdom Hydrographic Office, vol. 2,
2007.
2. Gao G.X., et al., GNSS over China, The Compass MEO Satellite Codes, Inside GNSS,
vol.2, No. 5, 2007.
3. Gibbons G., GNSS Trilogy: Our Story Thus Far, Inside GNSS, vol.1, No. 1, 2006.
4. Gorski A.,Gerten G., Do We Need Augmentation Systems?, European Journal of
Navigation, vol.5, No. 4, 2007.
68
5. Hein G.W., et al., Envisioning a Future GNSS System of Systems, Part 1, Inside GNSS,
vol. 2, No. 1, 2007.
6. Januszewski J., Systemy satelitarne GPS, Galileo i inne, Wydawnictwo Naukowe
PWN, Warszawa 2006.
7. Januszewski J., Modernization of Satellite Navigation Systems and theirs new maritime
applications, Monograph TransNav’2007, Gdynia 2007.
8. Januszewski J., Messages transfer and data formats in satellite navigation systems,
Monograph Advances in Transport Systems Telematics, Faculty of Transport Silesian
University of Technology, Katowice 2007
9. Kaplan E.D., Hegarty C.J., Understanding GPS Principles and Applications, Artech
House, Boston/London 2006
10. Misra P, Enge P., Global Positioning System Signals, Measurements, and
Performance, Ganga–Jamuna Press, Lincoln 2006
11. Spaans J., The Munich GNSS Summit 2007, European Journal of Navigation, vol.5,
No.2, 2007
12. Specht C., System GPS, Wydawnictwo Bernardinum, Pelplin 2007
13. Wirola L., Syrjärinne J., Bringing All GNSS in to Line, GPS World, vol.18, no 9, 2007
14. www.glonass-ianc.rsa.ru
SATELLITE NAVIGATION SYSTEMS
TODAY AND IN THE FUTURE
(Summary)
The last few years gave a rise to many important changes in the operational status and practical
exploitation of satellite navigation systems GPS and GLONASS, differential mode of these systems
(DGPS, DGLONASS) and Satellite Based Augmentation Systems (SBAS) as EGNOS or WAAS.
Therefore the extensive program of modernization of these systems as next generations of satellites,
new civil signals, new codes, new monitoring stations etc. and the details about new systems under
construction as Galileo and Compass (global systems) and GAGAN (augmentation system) and
QZSS & IRNS (regional systems) are presented in this paper.
69