lokalizacja.info - wszystko o nawigacji

Na tegorocznej konferencji Nawigacja i systemy lokalizacyjne GigaCon 2009 wykład inauguracyjny dotyczył Rozwoju nawigacji i GIS determinującego aplikacji i implementacji GNSS. Prelengentem był prof. nadzw. dr hab. inż. nawig. Andrzej Fellner - Dyrektor Centrum Kształcenia Kadr Lotnictwa Cywilnego Europy Środkowo - Wschodniej Politechniki Śląskiej, Dyrektor Instytutu Politechnicznego Państwowej Wyższej Szkoły Zawodowej w Krośnie.

Pierwsza prezentacja dotyczyła wybranych, kluczowych zagadnień związanych z dynamicznym rozwojem nawigacji i systemów informacji geograficznej, które determinują specyficzne aplikacje i implementacje GNSS. Stanowią one konkluzję 4th ESA Workshop on Satellite Navigation User Equipment Technologies "GNSS User Technologies in the Sensor Fusion Era - NAVITEC 2008", zorganizowanych w dniach 10-12 grudnia 2008r. w Noordwijk przez ESA/ESTEC (European Space Agency/European Space & Technology Centre). Takie sformułowanie tematu wymagało dokonania gruntownej analizy międzynarodowych (Rozporządzeń Unii Europejskiej, ICAO/IMO) i polskich dokumentów normatywnych, specyfikacji technicznych dotyczących systemów GIS i GNSS (ABAS, GBAS, SBAS - EGNOS, GPS, GLONASS). W wyniku dokonanej analizy zgromadzonego materiału okazało się, że obserwowany w Europie jest proces ścisłej integracji systemów i technologii satelitarnych z geograficznymi, w ramach programów: EUPOS, GIS, GNSS-SBAS-EGNOS, SES. Jest on zdeterminowany rozwojem nawigacji (łac. navigatio - żegluga, grec. navis - statek, agere - prowadzę), stanowiącej system wiedzy o prowadzeniu obiektów jako systemów ergonomicznych, przemieszczających się w ziemskiej ekosferze oraz planowaniu i stosowaniu niezbędnej infrastruktury w celu zapewnienia dokładnego, niezawodnego i bezpiecznego osiągnięcia funkcji celu tego przemieszczania. Oznacza to, że nawigacja jako interdyscyplinarna dziedzina wiedzy integruje również wymienione wyżej techniki i technologie. Istotę i znaczenie nawigacji zwięźle prezentują słynne słowa "NAVIGARE NECCESE EST VIVERE NON NECCESE", wypowiedziane przez Pompejusza wskakującego na pokład statku, aby ratować Rzym. Również interesujące jest stwierdzenie, że nawigacja to nauka zapewniająca bogactwo, potęgę i most, który łączy wewnątrz Wszechświat (wyciąg z "Practical Navigation, or an Introduction to the Whole Art" - 1964r., przedstawiony w "AIR NAVIGATION, BRITISH EMPIRE EDITION, P.V.H. WEEMS, New York 1937"). Jest również faktem znamiennym, że zagadnienia związane z tematem prezentacji, niezwykle dynamicznie zaczęły rozwijać się w branży lotniczej, gdyż zauważono, że pozwalają one na:

• uwzględnienie w działalności gospodarczej aspektów ekologicznych;
• zmniejszenie negatywnego oddziaływania na środowisko;
• zmniejszenie obszaru oddziaływania hałasu lotniczego;
• skrócenie czasu lotu;
• zmniejszenie kosztów operacji lotniczych poprzez: zmniejszenie zużycia paliwa, bardziej ekonomiczny profil lotu;
• zapewnienie zwiększenia pojemności przestrzeni  powietrznej poprzez: procedury podejścia do lądowania oparte na GNSS (w tym niezależne od konwencjonalnych pomocy nawigacyjnych - w szczególności na kierunkach nieoprzyrządowalnych), zwiększenie przepustowości - efektywność organizacji przepływów ruchu lotniczego, zmniejszenie kolizyjności SID i STAR, skrócenie trajektorii lotów.

Podkreślić należy, że funkcjonujące konstelacje satelitarne nie zapewniają spełnienia wymagań lotnictwa związanych z wiarygodnością, dokładnością, dostępnością i ciągłością sygnału. W związku z tym wymagają one różnorodnych systemów wspomagających zawartych w GNSS, aby sprostać wymaganiom operacyjnym w różnych fazach lotu. Do podstawowych systemów wspomagających zalicza się:

•  ABAS - technika przetwarzania sygnałów awioniki lub integracji awioniki na pokładzie statku powietrznego,
• SBAS - wykorzystuje naziemne stacje monitorujące dla weryfikacji ważności sygnałów satelitarnych i wylicza dane korekcyjne, aby poprawić dokładność a następnie dostarcza te informacje poprzez satelitę geostacjonarnego - GEO.
• GBAS - wykorzystuje naziemne stacje monitorujące dla weryfikacji ważności sygnałów satelitarnych i wylicza dane korekcyjne, aby poprawić dokładność a następnie dostarcza te informacje poprzez stacje naziemne w paśmie VHF - VDB.

W prezentacji podczas wykładu przedstawiono aplikacje i implementacje GNSS zdeterminowane rozwojem nawigacji powietrznej i GIS. Jest to zasadne, gdyż dla niej stawiane są wyższe kryteria. Świadczą o tym chociażby dane zawarte w projektach: "EGNOS Introduction to The European Eastern Region", Helicopters Deploy GNSS in Europe (HEDGE). Collaborative Project Response to FP7-GALILEO-2007-GS-1.

System EUPOS jest już operacyjny - dostępny. Podczas konferencji został szczegółowo omówiony przez profesora Śledzińskiego - jednego z pomysłodawców i pierwszego reprezentanta Polski. Śledziński boleje nad tym, że obserwowane jest stosunkowo małe zainteresowanie tym systemem, chociaż jego możliwości są ogromne. Okazuje się, że rozwijana od 2002 r. Europejska Sieć Wielofunkcyjnych Stacji Referencyjnych GNSS (European Network of Multifunctional Reference Stations - EUPOS, z założenia stanowi część systemu międzynarodowego sieci stacji IGS, stacje permanentne działają jako wielofunkcyjne stacje odniesienia DGNSS, przeciętna odległość pomiędzy stacjami wynosi około 70km (większa gęstość w aglomeracjach miejskich), współrzędne stacji są określane z wysoką precyzją (ETRS` 89, konwencjonalne geodezyjne systemy odniesienia), sieć stacji stosuje jako podstawowy standard sygnały GPS aż do osiągnięcia operacyjności przez system Galileo, wysoką jakość geodezyjną systemu GNSS zapewnią odbiorniki dwuczęstotliwościowe, znajdujące się w stacjach odniesienia sieci EUPOS. Podkreślić należy, że rozwiązania przyjęte w systemie dają możliwość korzystania z niego także użytkownikom nie posiadającym kosztownej aparatury pomiarowej, a wyposażonym przykładowo w prosty odbiornik turystyczny GPS. Poszczególne serwisy świadczone przez system ASG-EUPOS mogą być wykorzystane zarówno przez jedno, jak i dwuczęstotliwościowe odbiorniki GPS wyposażone w moduł komunikacyjny. Polski podsystem wielofunkcyjnych, permanentnych stacji referencyjnych prezycyjnego pozycjonowania satelitarnego ASG-EUPOS,zawiera 3 zasadnicze segmenty: odbiorczy (równomiernie rozłożone na obszarze Polski stacje referencyjne z modułami GPS oraz GPS/GLONASS), obliczeniowy (przetwarza automatycznie otrzymane dane ze stacji referencyjnych, wylicza poprawki korekcyjne dla poszczególnych serwisów i poprzez internet, GPRS dostarcza do użytkowników,  nadzoruje ciągłość obserwacji satelitarnych, testuje poprawności działania systemu oraz kontroluje stałość punktów definiujących układ odniesienia), użytkownika. W zależności od potrzeb użytkownika istnieje możliwość korzystania z następujących serwisów: KODGIS (emitowane dane korekcyjne RTCM w czasie rzeczywistym, z wybranej stacji referencyjnej, umożliwiają prowadzenie pomiarów i nawigacji z dokładnością do 0,25 m), NAWGEO (emitowane dane korekcyjne RTCM, RTK, VRS, FKP w czasie rzeczywistym z wybranej lub wygenerowanej wirtualnej stacji referencyjnej, umożliwiają prowadzenie pomiarów i nawigacji z dokładnością: poniżej 0.03m w poziomie oraz 0.05m w pionie), NAWGIS (emitowane dane korekcyjne RTCM w czasie rzeczywistym, z wybranej stacji referencyjnej, umożliwiają prowadzenie pomiarów i nawigacji z dokładnością do 1.0m), POZGEO (przeznaczony jest do obliczeń w trybie  postprocessingu obserwacji GNSS wykonywanych metodą statyczną. Do obliczeń wykorzystywane są obserwacje fazowe z odbiorników jedno i dwuczęstotliściowych, przekonwertowane do ustalonego formatu danych obserwacyjnych),  POZGEO D (udostępnia dane obserwacyjne do samodzielnych obliczeń w trybie postprocessingu i umożliwia uzyskanie dokładności na poziomie 0.1m dla odbiorników L1 oraz 0.01m dla odbiorników L1/L2. Użytkownik po zakończeniu pomiaru oraz sesji pomiarowych na stacjach referencyjnych może pobrać poprzez stronę internetową pliki obserwacyjne dla wybranych lub wirtualnych stacji referencyjnych do indywidualnego opracowania danych).

Systemy Informacji Geograficznej również znajdują szerokie zastosowanie, gdyż została zastosowana fotogrametria cyfrowa  do automatycznego generowania NMT i tworzenia ortofotomap, które są przechowywane na komputerowych nośnikach informacji. Użytkownik może w łatwy sposób gromadzić te dane, zarządzać nimi i wykorzystywać do różnych celów. Rozwój fotogrametrii cyfrowej sprawił, że techniki fotogrametryczne są ściślej zintegrowane z teledetekcją i GIS. Zasadne jest podanie, że proces fotogrametryczny obejmuje trzy podstawowe etapy: pozyskiwanie obrazu, przetworzenie fotogrametryczne, opracowanie produktu. Możliwy algorytm dotyczący przetwarzania geodanych, interpretacji i analiz przestrzennych oraz fotorealistycznej wizualizacji terenu w oparciu o dostępne systemy geograficznej informacji o terenie (GIS), stosowany powszechnie w państwach NATO wygląda następująco: ANALIZA POLITYCZNA I ŻĄDANIA -> PROJEKTOWANIE -> TESTOWANIE -> PLANOWANIE MISJI, OPERACJA -> DZIAŁANIA BOJOWE -> ANALIZA ZADANIA BOJOWEGO PO WYKONIU MISJI. Natomiast standardową procedurę od pozyskania danych do zastosowania w różnych sferach działalności człowieka przedstawia schemat: OBSERWACJE -> POMIARY -> ANALIZY -> PROJEKTOWANIE, SPORZĄDZANIE PLANÓW -> PODJĘCIE DZIAŁAŃ. W lotnictwie niemożliwe jest obecnie przygotowanie procedur podejścia i lądowania w oparciu o techniki i technologie satelitarne bez numerycznego modelu terenu. Nawet podczas podejścia do lądowania, antena radaru pogodowego skierowana w dół weryfikuje pokładową informację numeryczną o terenie z uzyskanym obrazem rzeczywistym (system APALS).

System GNSS planowany do uruchomienia w 2010r. stanowi niejako kontynuację opracowanego (po pojawieniu się dwóch systemów: GPS i GLONASS) w 1995r. Europejskiego Programu Nawigacji Satelitarnej (European Satellite Navigation Action Programme - ESNAP). Pierwszy etap twz. GNSS-1, zakładał konstrukcję europejskiego, cywilnego, satelitarnego systemu wspomagającego EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), korzystającego z sygnałów GPS, GLONASS. Jednak życie zweryfikowało założenia a możliwości rozwoju gospodarki i korzyści wynikające z realizacji programu ESNAP spowodowały, że nastąpiło połączenie wysiłków Komisji Europejskiej, Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), Europejskiej Organizacji ds. Bezpieczeństwa Nawigacji Powietrznej (EUROCONTROL) i zainicjonowano prace nad wspólnym programem i w efekcie zrealizowano testową wersję systemu ESTB (EGNOS System Test Bed), która w 2000 roku rozpoczęła transmisje sygnałów nawigacyjnych. Jednocześnie założono, że system EGNOS będzie elementem niezależnego, w pełni kompatybilnego z militarnymi GPS i GLONASS, globalnego i cywilnego systemu nawigacji satelitarnej o nazwie Galileo. Stąd też system EGNOS stanowi "nakładkę ulepszającą" (z ang. overlay augmentation) na GPS i GLONASS. Zwiększając dokładność, dostępność, ciągłość i wiarygodność działania tych systemów, umożliwia bardzo szerokie zastosowanie. Spełania wymagania transportu lotniczego, morskiego i lądowego. Należy do kompatybilnej grupy systemów wspomagania satelitarnego SBAS (Satellite Based Augmentation System) takich jak np/ amerykański WAAS (Wide Area Augmentation System) czy japoński MSAS (Multifunctional Satellite Based Augmentation System). Pomimo, źe są to systemy regionalne to odpowiadają międzynarodowym standardom MOPS (Minimum Operational Performance Standards) a to oznacza, że odbiorniki mogą korzystać z sygnałów niezależnie od systemu, który je emituje.

System EGNOS wspomaga działanie istniejących systemów nawigacji satelitarnej poprzez wysyłanie sygnałów korekcyjnych z satelitów geostacjonarnych znajdujących się nad Europą. Weryfikując sygnał GPS (sprawdzając czy nie doszło do awarii tych satelitów lub błędów podczas transmisji) dane z EGNOS mogą być zastosowane w aplikacjach typu "Safety of Life" np. precyzyjna nawigacja statków powietrznych, sterowanie ruchem pociągów czy akcje poszukiwawczo - ratownicze. Powinien zapewniać nieprzerwaną ciągłość działania, wspomagać systemy GPS i GLONASS, a w przyszłości stanowić element globalnego systemu nawigacji satelitarnej Galileo. W związku z tym wyróżnić można cztery zasadnicze segmenty:

• kosmiczny - trzy satelity geostacjonarne, odpowiednio rozmieszczone: Inmartsat III AOR-E (Atlantic Ocean Region - East - 15,5°W) (PRN 120), Inmartsat III IOR-W (Indian Ocean Region - West - 25°E) oraz ESA Artemis (Advanced Relay Technology Mission - 21,5°E). Do tego segmentu należy także zaliczyć konstelacje satelitarnych systemów nawigacyjnych GPS i GLONASS.
• naziemny (kontrolny) - stacje pomiarowe i kontrolne prowadzą ciągłe testy satelitów GPS i EGNOS, obliczają poprawki danych GPS, wykrywają nieprawidłowości w transmisji, sprawdzają, czy nie doszło do awarii któregoś z satelitów. Poprawki i dane o stanie sieci GPS są następnie transmitowane do satelitów EGNOS, które wysyłają je do odbiorników użytkowników. Jedna ze stacji kontrolnych sieci EGNOS znajduje się w Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie.
• użytkownika
• infrastruktury wspierającej - dwa elementy:

1. ASQF (Application Specific Qualification Facility) - zabezpieczenie środków technicznych niezbędnych do zatwierdzania i analizy aplikacji opartych na systemie EGNOS.
2. PACF - ośrodek wsparcia techniczno - inżynieryjnego, zespół kilku stacji roboczych (lokalna sieć komunikacyjna) odpowiada za sprawne funkcjonowanie systemu. Stacje PACF analizują, testują, prowadzą też permanentną kontrolę konfiguracji systemu, określają procedury postępowania operacyjnego, archiwizują dane systemowe.

Rozbudowaną konstrukcję systemu EGNOS wymusza sposób jego działania. Powinien on zapewnić dostępność sygnałów satelitarnych zawierających informacje regionalne użytkownikom znajdujących się w regionie ECAC (European Civil Aviation Cenference). Jednak system może być stosowany na znacznie większym obszarze, w zasięgu transmisji satelitów geostacjonarnych czyli na terenie obejmującym Afrykę północną oraz wschodnią część Rosji.

Należy podejmować działania zmierzające do implementacji technik i technologii satelitarnych, gdyż są na ten cel przewidziane środki UE. Jednak aby po nie sięgnąć, należy powołać odpowiednie konsorcja międzynarodowe do realizacji tematów.

---

Wykład  przeprowadził prof nadzw. dr hab. inż. nawig. Andrzej Fellner Dyrektor Centrum Kształcenia Kadr Lotnictwa Cywilnego Europy Środkowo-Wschodniej Politechniki Śląskiej. Dyrektor Instytutu Politechnicznego PWSZ w Krośnie. Specjalista ds. technologii satelitarnych i nawigator klasy mistrzowskiej. Od 1978 nauczyciel akademicki: WOSL (WSOSP), AON, PWSZ Chełm, PWSZ Krosno, Politechnika Śląska. 2002-2005 Szef Oddziału Zarządzania Przestrzenią Powietrzną SZ RP, 2005-2008 PWSZ Chełm. Autor pierwszej w Polsce habilitacji z nawigacji powietrznej (Politechnika Warszawska 2002). Specjalista z zakresu zastosowań systemów naziemnych  i satelitarnych dla potrzeb nawigacji powietrznej. Autor i współautor ponad 320 prac naukowych opublikowanych w kraju i za granicą, w tym 38 opracowań zwartych. Uczestnik m.in. NATO Special Course for CSCS States, Teacher Training Course. Reprezentant Polski w pracach komisji NATO NC3 Board Navigation Sub Committee i CNS/ATM (Główna Kwatera NATO). Członek m.in. Rogal Institute of Navigation, Sekcji Nawigacji i Hydrografii Komitetu Geodezji i Kartografii PAN, Sekcji Geoinformatyki Komitetu Geodezji i Kartografii PAN, EGU (European Geosciences Union), Członek Komisji Geodezji Satelitarnej Komitetu Badań Kosmicznych i Satelitarnych, ION (The Institute od Navigation).

---

źródło: Materiały Konferencyjne Nawigacja i systemy lokalizacyjne GigaCon 2009