Nawigacja satelitarna

Warszawa, 17 lutego 2015

Udział systemów nawigacji w wybranych działach gospodarki - aspekty

bezpieczeństwa i ekonomiczne efekty

Ewa Dyner Jelonkiewicz

ewa.dyner@agtes.com.pl

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

Wysokość orbity [km]

Ilość satelitów wymagana do

pełnego pokrycia powierzchni

Ziemi

Opóźnienie transmitowanego

sygnału [ms]

Przykładowe systemy

działające na poszczególnych

orbitach

GEO 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