pobierz plik

Nawigacja satelitarna
Warszawa, 17 lutego 2015
Udział systemów nawigacji w wybranych działach gospodarki - aspekty
bezpieczeństwa i ekonomiczne efekty
Ewa Dyner Jelonkiewicz
[email protected]
Tel.607459637
AGTES S.A.
Mangalia 4, 02-758 Warszawa
www.agtes.com.pl
Wstęp
Wbrew powszechnemu przekonaniu coś takiego jak globalny system
lokalizacji i łączności nie istnieje.
•
•
•
•
•
•
•
Wiele z systemów używa w nazwie globalny ale nie ma to nic wspólnego z rzeczywistością.
Zbudowanie globalnego systemu działającego w czasie rzeczywistym dającego 100%
pokrycia powierzchni globu z zapewnieniem w czasie rzeczywistym próbkowania
interesujących nas wielkości, choć technicznie możliwe, nie byłoby ekonomicznie zasadne.
Żaden z istniejących systemów administracyjnych nie byłby w stanie sprawnie zarządzać
tak wielką ilością pozyskanych danych oraz zapewnić niezakłócony przepływ tych danych
drogą elektroniczną.
Buduje się więc systemy ograniczone, silnie zorientowane zadaniowo i zapewnia przepływ
informacji do adresatów.
Organizacje administracji narodowych i ponadnarodowych oraz instytucje komercyjne
zarządzają informacjami pozyskiwanymi z systemów. Aktualny stan techniki pozwala na
zbudowanie każdego systemu kontrolującego interesujące nas zjawiska w ramach
dostępnych osiągnięć technologicznych.
Trzeba pamiętać, że zawsze w każdym systemie współdziałają ze sobą systemy nawigacji,
lokalizacji, łączności i szeroko rozumianej metrologii.
Dla osiągnięcia zamierzonych efektów bardzo ważnym jest prawidłowe określenie potrzeb i
właściwy dobór środków technicznych.
Istotne jest aby na etapie projektowania systemu przewidzieć zadania, jakie ma spełniać i
nie obciążać go nadmiarowo dodatkowo nadmiarowymi funkcjami
Narzędziami do realizacji systemów są systemy
satelitarne i naziemne.
•
•
Narzędziami do realizacji systemów są systemy satelitarne i naziemne.
Poniższy rysynek przedstawia usytuowanie wysokości orbit satelitów co ma istotne znaczenie dla
zasięgu i dokładności w systemach.
Orbity
•
•
•
•
LEO (Low Earth Orbit) to orbity znajdujące się na wysokości od 500 do 2000 km ponad
Ziemią.
MEO (Medium Earth Orbit) – orbity znajdujące się na od 8 do 12 tys. km. wysokości nad
powierzchnią Ziemi.
GEO (Geostationary orbit) to orbity o wysokości 35 786 km nad płaszczyzną równikową.
Precyzyjne umieszczenie satelity na takiej orbicie sprawia, iż ma on prędkość kątową
równą prędkości kątowej obracającej się Ziemi.
HEO (Highly Eliptical Orbit) - orbity charakteryzujące się kształtem wyraźnie eliptycznym.
Ich perygeum wynosi około 500 km, apogeum natomiast nawet 50 tys. km.
Rodzaj
orbity
GEO
Ilość satelitów
Przykładowe
Opóźnienie
wymagana do
systemy
działające na
Wysokość orbity [km] pełnego pokrycia transmitowanego
sygnału [ms]
powierzchni
poszczególnych
Ziemi
orbitach
35 786
3-4
600-800
VSAT, Inmarsat
HEO
500-50000
2-10
do 500
LEO
500-2000
kilkadziesiąt (ok.
40)
50
Globalstar,
Teledesic
MEO
8000-12000
10-15
150
Orblink
Podział funkcjonalny satelitów
Nawigacja satelitarna
Nawigacja satelitarna to gałąź nawigacji, wykorzystująca wysyłane przez
sztuczne satelity fale radiowe w celu wyznaczania aktualnej pozycji
użytkownika na ziemi.
• Pierwszym w swym założeniu globalnym systemem nawigacji
satelitarnej był TRANSIT. Satelity umieszczane były na
okołobiegunowych orbitach LEO około 1100 km ponad Ziemią. Czas
pełnego obiegu wokół Ziemi mieścił się w granicach 120 minut. W celu
zapewnienia pełnego pokrycia powierzchni Ziemi przez system
konieczna była współpraca przynajmniej pięciu satelitów. Z uwagi na
swoje liczne wady i niedoskonałości system Transit zakończył
działalność w roku 1996 i został ostatecznie zastąpiony przez GPS.
• Pierwszym radzieckim globalnym systemem nawigacji satelitarnej był
CYKLON. Jego założenia pod względem funkcjonalnym opracowane
zostały w latach 50-tych XX wieku. W związku z opracowaniem i
eksploatacją systemu CYKLON wykonano 31 startów w latach od 1967
do 1978.
Współczesne systemy nawigacji satelitarnej
GPS jest najbardziej rozpoznawalnym i najpowszechniej wykorzystywanym obecnie systemem
nawigacji satelitarnej. Funkcjonuje jako jeden z systemów nawigacji satelitarnej obejmujących
swoim zasięgiem całą kulę ziemską. Jest on owocem prac Departamentu Obrony Stanów
Zjednoczonych. Na system GPS składają się trzy segmenty:
•
segment kosmiczny – zespół 31 satelitów umieszczonych na średniej orbicie
okołoziemskiej;
•
segment naziemny - stacje kontrolne i monitorujące umieszczone na Ziemi
•
segment użytkownika – wyposażeni w odbiorniki użytkownicy systemu
Rosyjskim odpowiednikiem systemu GPS jest GLONASS - system nawigacji satelitarnej o
zasięgu globalnym. Rozpoczęcie budowy systemu GLONASS miało miejsce 1
grudnia 1976 w ZSRR. Założeniem systemu było równomierne rozmieszczenie na trzech
okołoziemskich orbitach w sumie 24 satelitów . Liczbę tą osiągnięto po raz pierwszy pod
koniec roku 1995. Ze względu na niższą od zakładanej żywotność satelitów (przeciętnie 3 lata)
oraz niestabilność ekonomiczną Rosji pod koniec XX wieku, liczba ta w roku 2001 osiągnęła
zaledwie 6 sprawnych satelitów. . Ponowne osiągnięcie pełnej funkcjonalności przez system
GLONASS nastąpiło w dniu 8 grudnia 2011 roku.
Współczesne systemy nawigacji satelitarnej –
c.d.
•
•
Francuskim systemem nawigacji satelitarnej jest oparty na zjawisku Dopplera
DORIS. Jedną z jego głównych właściwości jest bardzo precyzyjne określanie
orbit satelitów. Jest on także zaawansowanym systemem wyznaczania pozycji.
Stosuje się go w satelitach altymetrycznych i teledetekcyjnych, więc
wykorzystywany jest do wyznaczania wielkości topograficznych m.in. badając
stan wód na powierzchni Ziemi i pola sił ciężkości. System jest źródłem
informacji niezbędnych do badań w dziedzinie m.in. geodezji i geofizyki.
Chińskim satelitarnym systemem nawigacyjnym, tymczasowo obejmującym
swym zasięgiem jedynie obszar Azji jest Beidou (Wielka Niedźwiedzica).
Planowany jest on finalnie jako system globalny. Aktualnie eksploatowanym
systemem jest Beidou-2 w skład którego wchodzi obecnie 16 satelitów.
Pierwszy satelita tworzący szkielet systemu wystrzelony został w 2007 roku.
System ten docelowo będzie składał się z 35 satelitów geostacjonarnych
rozmieszczonych na średniej wysokości orbitach. Udostępniona użytkownikom
komercyjnym dokładność wyznaczania pozycji ma wynosić w przybliżeniu 10
metrów, a pomiar prędkości ma być prowadzony z dokładnością do 0,2 m/s.
Według zapewnień chińskich władz Beidou pełną funkcjonalność ma osiągnąć
w 2020 roku.
Współczesne systemy nawigacji satelitarnej –c.d.
•
Budowany przez Unię Europejską pod nazwą GALILEO globalny system nawigacji
satelitarnej ma być w swym zamyśle konkurencją dla dwóch najlepiej obecnie
funkcjonujących systemów: GPS i GLONASS. W przeciwieństwie do pozostałych jest
przewidziany głównie do zastosowań cywilnych . Ma on na celu zapewnienie lepszej
jakości i dokładności danych dotyczących lokalizacji i czasu. System świadczył będzie
szereg wymienionych usług:
 Usługa ogólnodostępna (Open Service) – darmowe, ogólnodostępne wyznaczanie
czasu i pozycji.
 Usługa bezpieczeństwa życia (Safety of Life Service) – darmowa usługa
wspomagająca ratowanie życia na wodzie i w powietrzu.
 Usługa komercyjna (Commercial Service) – płatne wyznaczanie czasu i pozycji o
zwiększonej dokładności.
 Usługa publiczna o regulowanym dostępie (Public Regulated Service PRS) –
umożliwia precyzyjne, szyfrowane wyznaczanie lokalizacji i czasu, z użyciem środków
gwarantujących ciągłość usługi. Usługa dedykowana głównie organom administracji
publicznej.
 Usługa poszukiwania i ratowania (Search and Rescue Service) – umożliwia precyzyjną
lokalizację niebezpieczeństwa z użyciem komunikacji dwustronnej pomiędzy
użytkownikiem a stacją operatora usługi.
Wyznaczanie pozycji
•
•
•
Do podziału metod nawigacji przyjęto dwa podstawowe kryteria: kryterium aktywności i
kryterium przebiegu sygnału. Wyróżnia się systemy jednokierunkowe typu uplink (Ziemia kosmos) oraz downlink (kosmos- Ziemia) oraz systemy dwukierunkowe. Systemy aktywne
wymagają od użytkownika wysyłania sygnałów, systemy pasywne natomiast jedynie jego
odbioru. Trzy największe systemy mające tworzyć GNSS ( GPS, GLONASS , Galileo) mają
charakter pasywny jednokierunkowy (użytkownik odbiera jedynie sygnał pochodzący z
kosmosu). Zasadą, na której opiera się funkcjonowanie nawigacji satelitarnej jest wiedza
na temat odległości pomiędzy odbiornikiem, a satelitą znajdującym się na orbicie
okołoziemskiej. W celu wyznaczenia pozycji użytkownika konieczna jest znajomość
odległości między jego odbiornikiem, a przynajmniej trzema satelitami.
Znając odległość pomiędzy jednym satelitą, a użytkownikiem możemy jedynie stwierdzić,
że jego odbiornik jest w miejscu umieszczonym na powierzchni sfery, której promień
równy jest tej odległości.
Znając natomiast odległość pomiędzy dwoma satelitami, a użytkownikiem możemy
określić, że użytkownik jest na okręgu, tworzonym przez dwie nachodzące na siebie sfery o
promieniach równych dystansowi pomiędzy użytkownikiem, a satelitami tworzącymi ten
system.
Obszary wykorzystania nawigacji satelitarnej
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Transport lotniczy
Transport morski i rybołówstwo
Transport lądowy
Rolnictwo
Ekologia
Geodezja
Kartografia
Geologia
Medycyna
Ratownictwo
Gospodarka przestrzenna
Meteorologia
Usługi pocztowe i cargo
Bezpieczeństwo publiczne i personalne
Wojsko, służby mundurowe
Administracja
Działanie systemów nawigacyjnych w transporcie morskim i powietrznym jest powszechnie zrozumiałe.
Wykorzystanie nawigacji satelitarnej w dziale transportu lądowego dynamicznie zmienia się wraz z rozwojem
techniki.
TRANSORT LĄDOWY
•
•
•
•
Systemy nawigacji pojazdów
Systemy kontroli flot pojazdów
Systemy te kontrolują parametry eksploatacji pojazdów z wspomagają zarządzanie flotami.
Systemy antykradzieżowe śledzenia pojazdów
Kontrola ruchu w aglomeracjach
Informacja o korkach ulicznych
ROLNICTWO
•
Używanie maszyn rolniczych z nawigacja pozwalających na kontrolę precyzji prac
polowych
•
Informacje Meteorologiczne
•
Monitorowanie stanu upraw m.in. na potrzeby administracji (dopłaty rolne)
EKOLOGIA
•
Wykrywanie i lokalizacja wycieków
•
Kontrola emisji gazów
•
Kontrola populacji szkodników
•
Monitorowanie równowagi ekosystemów
GEODEZJA i KARTOGRAFIA
•
Usprawnienie sporządzania map cyfrowych na podstawie danych z systemów
kosmicznych zrewolucjonizowało aktualną geodezję i kartografie.
•
Kontrola procesów budowlanych
•
Kontrola budynków wysokościowych (stały monitoring odchyleń)
GEOLOGIA
•
Śledzenie zjawisk zachodzących w skorupie ziemskiej np. wulkanów, przewidywanie
kataklizmów na podstawie obserwacji skorupy ziemskiej
MEDYCYNA
•
Dynamicznie rozwijająca się medycyna na odległość.
•
Zarządzanie flotami transportu
RATOWNICTWO
GOSPODARKA PRZESTRZENNA
•
Badanie zawartości różnych substancji w atmosferze
•
Wyznaczanie terenów zalewowych
•
Przewidywanie powodzi i innych klęsk żywiołowych
METEOROLOGIA
•
Dziedzina głównie zarządza Europejska organizacja Eksploatacji Satelitów
meteorologicznych EUMETSAT
Z osiągnięć meteorologii szeroko
korzystają: rolnictwo, transport i
gospodarka przestrzenna
USŁUGI POCZTOWE I CARGO
BEZPIECZEŃSTWO PUBLICZNE I PERSONALNE
WOJSKO I SŁUŻBY MUNDUROWE
Podsumowanie
• Udział systemów nawigacyjnych ma miejsce
we wszystkich gałęziach gospodarki
• Szereg programów Unii Europejskiej poprzez
agendy zajmujące się różnymi gałęziami
gospodarki stymuluje rozwój i zwiększenie
efektywności ekonomicznej podmiotów
gospodarczych
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ