DRUŽICOVÉ POLOHOVÉ SYSTÉMY

GPS sa člení na tri základné segmenty: vesmírny, riadiaci a užívateľský segment.

VESMÍRNY SEGMENT
Vesmírny segment tvoria družice rozmiestnené nad povrchom Zeme vo výške približne 20 230 km. Nachádzajú sa v šiestich dráhových rovinách, ktorých rektascenzia výstupného uzla je násobkom 60°. V každej dráhe sa nachádzajú štyri družice, v niektorých dráhach sa nachádza aj piata, tá slúži ako aktívna záloha, prípadne na testovacie účely. Sklon dráh ku rovníku je 55°. Obežná doba družice je 12h hviezdneho času, to znamená, že rovnaká konfigurácia nastane po 11h58m slnečného dňa. Dráhy družíc sú takmer kruhové, excentricita je rádu 0,01. Presnú časovú základňu vytvárajú rubídiové a céziové atómové normály, ktoré sú umiestnené na družiciach. Základná frekvencia je 10,23 MHz, a z nej sa odvádzajú dve nosné frekvencie L1 a L2 v L pásme rádiových vĺn, na ktorých sú vysielané pseudonáhodné kódy C/A, P a navigačná správa. Väčšina civilných prijímačov dokáže spracova iba C/A kód. Signály vysielané na frekvencii L1 sa označujú ako signály Štandardnej polohovej služby (Standard Positioning Service – SPS), frekvencia L2 je využívaná na Presnú polohovú službu (Precise Positioning Service – PPS). Pri SPS je definovaná požadovaná presnos pre pravdepodobnosť 95% horizontálne do 100m, vertikálne do 156m, presnosť určenia času do 167 ns. Pri PPS sú tieto hodnoty nasledovné : horizontálna presnosť do 17,8 m, vertikálna presnosť do 27,7 m a presnosť určenia času do 100 ns. Vývoj nových družíc má priniesť ich dlhšiu životnosť a poskytovať vyššiu presnosť merania pseudovzdialenosti a času.

RIADIACI SEGMENT
Riadiaci segment pozostáva z pozemných monitorovacích a vysielacích centier, ktoré sú rozmiestnené rovnomerne po povrchu Zeme a má za úlohu:

– nepretržite monitorovať a riadiť činnosť družicového systému
– určovať systémový čas GPS
– predpovedať dráhy družíc a chod hodín na družiciach
– pravidelne obnovovať navigačnú správu pre každú družicu

Dnes, po modernizácii, pozostáva riadiaci segment z 12 pozemných sledovacích a vysielacích staníc, pričom hlavné riadiace a výpočtové centrum sa nachádza v Colorado Springs v USA. Toto hlavné centrum spracúva údaje zo všetkých monitorovacích centier a z nich získava dráhové elementy družíc, korekcie atómových hodín a tvorí navigačnú správu. Navigačná správa sa spätne vysiela do družíc. Poloha družíc sa určuje v systéme WGS-84.

UŽÍVATEĽSKÝ SEGMENT
Pod pojmom užívateľský segment dnes rozumieme všetky typy zariadení konštruovaných na príjem a spracovanie GPS signálu. Toto je veľmi rozsiahla skupina zariadení, ktorú môžeme rozdeliť na nasledujúce tri základné časti:

– prijímače na navigáciu – vojenskú a civilnú
– prijímače pre geodéziu a geografické informačné systémy
– prijímače na časovú synchronizáciu

Vývoj týchto zariadení ide neustále dopredu, hlavným trendom nových zariadení je miniaturizácia a multifunkčnosť. Pri geodetických prístrojoch sa dodáva k hardvéru aj špeciálny softvér na spracovanie meraní.

1.2 GLONASS
Obdobne ako americký GPS sa aj ruský GLONASS člení na vesmírny, riadiaci a užívateľský segment. Tento systém sa vyvíjal od konca 70-tych rokov v bývalom Sovietskom zväze ako reakcia na vývoj GPS. Dnes vo vývoji pokračuje Ruská federácia.

VESMÍRNY SEGMENT
Projekt plne obsadenej konštelácie družíc pozostáva z 24 družíc rozmiestnených v troch dráhových rovinách, so sklonom 64,8° ku rovníku, ktoré sú od seba posunuté o 120°. Dráhy sú takmer kruhové, s výškou 19 100 km a dobou obehu 11,25h. Rovnaká konštelácia družíc sa zopakuje po 8-mich hviezdnych dňoch, t.j. 17-tich obletoch družíc. Prvá družica bola vypustená v roku 1982, odvtedy bolo postupne vypustených 85 družíc. Ich nevýhodou je relatívne krátka životnosť, asi 2 – 5 rokov. V súčasnosti je aktívnych asi 14 družíc. Plná konfigurácia bola aktívna v roku 1996, odvtedy systém postupne degraduje.

Základná frekvencia pre GLONASS-u je 5,0 MHz a z nej sa odvádzajú nosné frekvencie v pásme L1 a L2. Každá družica má pridelenú svoju vlastnú frekvenciu, na základe ktorej ju možno jednoznačne identifikovať. Pseudonáhodné modulačné kódy sú pre všetky družice rovnaké. Navigačná správa sa generuje každých 30 minút.

RIADIACI SEGMENT
Riadiaci segment sa kompletne nachádza na území Ruska. Hlavné kontrolné centrum sa nachádza v blízkosti Moskvy, ostatné sú rozložené na území Ruska. Tieto centrá monitorujú všetky viditeľné družice a určujú ich polohu a korekcie hodín k UTC(SU). Obnova navigačných údajov sa vykonáva dva krát za deň. Súradnice sa vzťahujú k referenčnému systému PZ-90. Nakoľko sú monitorovacie centrá rozmiestnené len na území Ruska, tak je každá družica asi 16 hodín denne mimo dosah akéhokoľvek centra. Táto nevýhoda sa prejavuje znížením presnosti určovania efemeríd.

UŽÍVATEĽSKÝ SEGMENT
Užívateľský segment tvoria prijímače, užívatelia a postupy merania. Pretože je budúcnosť systému GLONASS nejasná, počet typov prijímačov je veľmi obmedzený. Prijímače vyrábané v Rusku, sú robustnej konštrukcie, určené hlavne pre vojenské použitie. Novšia generácia prijímačov je postavená na technológii integrovaných obvodov a má možnosť spracovávať aj GPS signál. Umožňujú kódové aj fázové merania.

1.3 EGNOS
EGNOS je spoločný projekt ESA, Európskej agentúry a Európskej organizácie pre bezpečnosť vzdušnej navigácie. Je to prvý stupeň Európskeho globálneho navigačného systému, označovaný ako GNSS-1. Rozširuje existujúce systémy GPS a GLONASS. Projekt začal v roku 1996. Je predchodca Galilea, označovaného ako GNSS-2. Úlohou EGNOS-u je poskytovanie garantovanej navigačnej služby založenej na navigačných systémoch GPS a GLONASS so zabezpečením vysokej presnosti, integrity a dostupnosti. Vesmírny segment EGNOS-u pozostáva z troch geostacionárnych družíc. Inmarset III pre východnú časť Atlantického oceánu, Inmarsat III pre oblasť Indického oceánu a nový ESA telekomunikačný satelit Artemis. Naviac spracováva signály z GPS A GLONASS družíc. Pozemný segment pozostáva zo siete monitorovacích staníc RIMS, napojených na hlavné kontrolné centrá. RIMS sú prevažne umiestnené v Európe. Egnos bol spustený do testovacej prevádzky v roku 2004 a dnes je plne dostupný.

2 PRIPRAVOVANÉ SYSTÉMY
GALILEO
Počiatkom 90-tych rokov zvažovala Európska Únia svoj postoj k vytvoreniu vlastného polohového systému. Bola vypracovaná analýza existujúcich navigačných systémov a možnosti ich využitia pre Európu. Na jej základe bolo uvažovaných viacero variantov. Prvý variant, ktorý je označovaný ako EGNOS, alebo GNSS-1, spočíval v orientácii na existujúce systémy GPS a GLONASS, v ich dobudovaní a spoločnom využívaní. Systém EGNOS sa začal budovať, ale pretože sa začal klásť veľký význam na to, aby to bol systém nezávislý od akéhokoľvek štátu a armády, pristúpilo sa k druhému variantu, GNSS-2. V tomto období sa ešte nehovorilo konkrétne o systéme Galileo, ale cieľ bol vybudovať vlastný civilný navigačný systém. Dňa 17. júna 1999 vydala Európska dopravná rada ETC (kolektívny orgán európskych ministrov dopravy), na odporúčanie Európskej únie (EU) a Európskej vesmírnej agentúry (ESA) rozhodnutie, na základe ktorého sa začalo s prípravnou fázou projektu Galileo. Do vývoja bolo zapojených mnoho spoločností a vedeckých inštitúcií s cieľom definovať základné časti tohto projektu. Táto prípravná fáza pozostávala z viacerých projektov:

GALA – definuje celkovú štruktúru a architektúru
GEMINUS – vznikla na podporu služieb definovaných Galileom
INTEG – na integrovanie systému EGNOS do Galilea
SAGA – na podporu štandardizácie systému Galileo
GalileoSat – na definíciu vesmírneho segmentu systému
GUST – na špecifikáciu a certifikáciu prijímačov pre systém Galileo
SARGAL – možnosť využitia záchranného systému SAR pomocou družíc Galileo

Ako nutné požiadavky pre projekt boli vyšpecifikované požiadavky na presnos v určení polohy s polomerom pod 10 m v 95% času. Garancia presnosti času 33 nanosekúnd s 95% istotou. Celosvetová dostupnosť systému má byť nepretržitá v 99,7% času . Vybudovanie kompletného systému Galileo a spustenie do komerčnej prevádzky sa plánuje v roku 2009. Celý projekt bude pozostávať z troch fáz:

– definícia systému (2003 – 2006)
– vývoj systému (2006 – 2008)
– rozmiestnenie a komerčná prevádzka (2009)

{googleads right}

DEFINÍCIA SYSTÉMU
Na základe projektov, ktoré vznikli v prípravnej fáze, za účasti členských štátov EU a súkromných investorov vznikol obraz budúceho systému:

– architektúra lokálnej komponenty,
– prispôsobenie systému potrebám užívateľa
– spolupráca Galilea a iných systémov (GNSS, GSM/UMTS …)
– koordinácia a ochrana frekvencií používaných Galileom
– štandardizácia a certifikácia
– definícia právneho a regulačného rámca

VÝVOJ SYSTÉMU
Fáza vývoja a overovania teoretických predpokladov obsahuje podrobný popis a následnú výrobu a stavbu viacerých prvkov sústavy: družice, pozemné stanice, užívateľské prijímače. Toto si bude vyžadovať vypustenie prototypov družíc a vybudovanie časti pozemských monitorovacích centier a infraštruktúry. Zároveň bude možný vývoj prijímačov a testovanie frekvencií, pridelených Medzinárodným telekomunikačným úradom. Táto fáza je riadená spoločnosťou Galileo Joint Undertaking. Financovanie bude realizované z verejných zdrojov.

ROZMIESTNENIE A KOMERČNÁ PREVÁDZKA
Fáza rozmiestnenia družíc na orbity bude závislá na predchádzajúcom overovaní a testovaní, ale predpokladá sa postupné vypúšťanie družíc na obežnú dráhu plynule od roku 2006 a posledná družica má by vypustená a systém sprístupnený pre verejné používanie v roku 2009. Financovanie tejto časti projektu bude realizované z verejných aj súkromných zdrojov. Po spustení projektu majú by náklady hradené iba z príjmov za poskytované služby.

CENA SYSTÉMU
Prvý stanovený rozpočet predstavoval 740 mil. €. Hraničná cena pre celý systém bola definovaná na menej ako 3 mld. €, čo predstavuje náklady rovnajúce sa približne výstavbe 150 km úseku diaľnice. Neskoršie štúdie ukázali, že táto cena nebude konečná, celkový odhad je asi 3,4 mld. €.

ARCHITEKTÚRA SYSTÉMU
Systém Galileo sa bude skladať zo štyroch hlavných súčastí, tzv. komponentov.

Globálny komponent – zahrňuje kozmický a pozemný riadiaci segment.

Regionálny komponent – bude poskytovať nezávislé informácie o integrite signálov Galilea. Tieto informácie budú prístupné regionálnemu poskytovateľovi tejto služby a budú šírené prostredníctvom špeciálnych autorizovaných kanálov. Týchto kanálov je v systéme Galileo definovaných 8, tzn. že na svete môže by definovaných až 8 nezávislých regiónov s vlastným monitorovaním integrity

Lokálny komponent – má za úlohu ďalej skvalitňovať služby poskytované regionálnymi komponentmi.

Užívateľský komponent – hlavný dôraz je kladený na to, aby mali prijímače konkurencie schopný výkon a náklady porovnateľné s ostatnými systémami ako aj potreba prispôsobenia sa k novým potrebám užívateľov a možnosť multimodálného využitia (možnosť spracovávať viacero rôznych signálov spolu).

{youtube}5UF2il_yl9Q{/youtube}

GLOBÁLNY KOMPONENT
Globálny komponent zahrňuje vesmírny a pozemný segment. Vesmírny segment systému Galileo bude pozostávať z 30 družíc v troch pravidelných obežných dráhach. V každej dráhe bude 10 družíc, z toho jedna bude aktívna záloha. Sklon dráh družíc voči rovníku bude 56°, čo zabezpečí dobrý príjem signálu aj v severských častiach Európy. Družice sa budú pohybovať vo výške približne 23 616 km nad povrchom Zeme. Jedna perióda bude trva 14h 4min a konfigurácia sa zopakuje raz za 10 dní.

Pozemný riadiaci segment pozostáva z nasledujúcich súčastí :

5 TT&C staníc (Tracking, Telemetry & Command) ktoré budú ma za úlohu komunikáciu s družicami

9 ULS staníc (Up-link stations) tieto vysielacie stanice budú vysielať do družíc navigačné správy

30 staníc GSS (Galileo Sensor stations), ktoré budú preberať signály z družíc pre kontrolu integrity a časovej synchronizácie,
rovnomerne rozmiestnených po povrchu Zeme

2 pozemných monitorovacích centier GCC (Ground Control centres)

ďalšie lokálne segmenty pre miestne rozšírenie integrity, presnosti, dostupnosti a kontinuity signálu, závislé od vyžadovaných podmienok.

LOKÁLNY KOMPONENT
Bude poskytovať, kde to bude potrebné, zvýšený výkon systému a možnosť kombinácie Galilea s inými systémami GNSS, pozemnými polohovými systémami a komunikačnými systémami na miestnom základe. Na šírenie informácií budú využívané predovšetkým existujúce pozemné komunikačné systémy. Toto umožní ďalšie zvýšenie presnosti a integrity v okolí letísk, prístavov, veľkých vodných nádrží a v husto zastavaných oblastiach. Vzhľadom na štyri kategórie služieb Galilea budú vytvorené tieto prvky:

Presné navigačné prvky (Local Precision Navigation Elements) budú poskytovať signály miestnych diferenčných korekcií (napr. vysielaním dát prostredníctvom rádia, alebo GSM)

Navigačné prvky s vysokou presnosťou (Local High-Precision Navigation Elements) budú zabezpečovať signály miestnych diferenčných dát

Navigačné prvky s miestnou podporou (Locally Assisted Navigation Elements) môžu by použité na jedno alebo dvojcestnú komunikáciu (napr. pomocou GSM alebo UMTS) ako pomoc pre používateľov prijímačov pri určovaní polohy v ťažkých prírodných podmienkach

Miestne rozšírenie navigačných prvkov (Local Augmented-Availability Navigation Elements). Miestne stanice vysielajúce podobný signál ako satelity Galilea, tzv. pseudolity, sa použijú tam, kde bude potrebné zvýšiť dostupnosť ľubovoľnej služby Galilea v definovanom priestore. Zvýšenie presnosti nastane zlepšením geometrie spôsobeným vhodným umiestnením pseudolitu.

DRUŽICE GALILEO
Družice Galileo patria do skupiny mini satelitov. S rozmermi 2.7m x 1.2m x 1.1m dosiahnu hmotnosť asi 625 kg. Plánovaná životnosť družíc je 12 rokov. Na obežnú dráhu budú vynášané raketami Arine5 (každý jeden let dopraví na obežnú dráhu 8 družíc) a Sojuz (vynesie 2 družice za jeden let). Rakety umiestnia družice priamo na strednú obežnú dráhu. Súčasťou družíc budú rubídiové atómové hodiny, 2 hydrogénové masery (generátory a zosilňovače mikrovlnného signálu) a laserové reflektory, ktoré budú slúžiť na nezávislé určenie dráhy družice.

{youtube}-v1-P7iELhU{/youtube}

SLUŽBY SYSTÉMU
Galileo bude poskytovať služby vo viacerých úrovniach zabezpečenia, od voľne prístupných až po služby štátnych záujmov s najvyšším zabezpečením.

Open Service – OS – (verejná služba) – voľná, základná služba pozostáva z kombinácií voľných frekvencií, ktoré budú bez poplatkov. Umožní ur ovanie polohy a času aj pomocou iných GNSS systémov. Hlavné využitie sa predpokladá v mobilných telefónoch a v prenosných osobných počítačoch, to znamená služba pre širokú verejnosť. Je porovnateľná s GPS, ale s vyššou presnosťou a spoľahlivosťou

Safety Of Life Service – SoF – (Služba „Bezpečného života“) – dopľňa základnú službu, bude poskytovaná s vyššou presnosťou.
Jej využitie bude najmä pre aplikácie, ktoré musia mať zabezpečený kvalitný signál, ako sú letecká a námorná doprava. Poskytuje informáciu účastníkovi, keď zlyhá integrita signálu do 6 sekúnd kdekoľvek na svete. Bude mať zabezpečenú certifikáciu a garanciu

Commercial Service – CS – (Komer ná služba) – Poskytuje lepší výkon, vyššiu presnosť a väčšie množstvo informácií ako základná služba. Je využiteľná pre komerčné a profesionálne účely, na vývoj profesionálnych aplikácií. Bude spoplatnená, umožní prístup k dvom signálom s vysokou prenosovou rýchlosťou

Public Regulated Service – PRS – (Služba obmedzená pre verejnosť) – poskytuje najvyššiu presnosť, hlavne pre národné a nadnárodné záujmy, najmä v oblasti bezpečnosti (civilná ochrana, ochrana štátnej bezpečnosti, polícia, záchranný systém, neverejné telekomunika né siete). Bude prístupná iba pre autorizovaných užívateľov, signály budú kódované, odolné voči rušeniu

Search and Rescue Service – SaR – (Pátracia a záchranná služba) – Bude slúži pre záchranné systémy, bude v ňom možné vysielať a prijímať núdzové signály, a na zlepšenie medzinárodného záchranného systému COPPAS – SARSAT.

TECHNICKÉ PARAMETRE GALILEA
SIGNÁLY A FREKVENCIE
Každá družica bude vysielať 10 navigačných signálov a jeden signál SaR. Navigačné signály Galilea budú vysielané na vyhradených frekvenciách a signál SAR bude vysielaný na jednom z frekvenčných pásiem vyhradených pre núdzové služby (1544-1545MHz). Štyri signály budú vysielané v rozsahu 1 164 – 1 215 MHz (označované E5a a E5b) so strednou frekvenciou E5 1 188 MHz. Ďalšie tri signály budú vysielané na frekvenciách 1 260 – 1 300 MHz (ozn. E6) a zostávajúce tri budú vysielané na frekvenciách 1 559 – 1 591 MHz (ozn. L1). Signály v pásmach E5 a časť pásma L1 budú prístupné pre všetkých užívateľov, zostávajúce pásmo E6 bude kódované a prístupné len pre užívateľov v rámci Komerčnej služby (CS). Jeden signál v pásme E6 a jeden v L1 budú taktiež kódované, budú mať zvýšenú ochranu, budú prístupné autorizovaným užívateľom v štátnom záujme. Na týchto frekvenciách budú prenášané štyri typy dát:

dáta OS, na frekvenciách E5a, E5b a L1, pre všetkých užívateľov, obsahujú prevažne navigačné údaje

dáta CS, prenášané na frekvenciách E5b, E6, L1, budú kódované a prístupné pomocou kontrolných centier

dáta SoL, prenášané na frekvenciách E5b a L1, obsahujú predovšetkým údaje o strate integrity

dáta PRS, prenášané na frekvenciách E6 a L1, budú pre autorizovaných užívateľov

Navigačný signál Galileo sa skladá z dľžkomernej a dátovej časti. Dľžkomerná časť sa bude generovať na každej družici pomocou presných atómových hodín. Dátová časť bude vysielaná zo Zeme, bude uložená v pamäti družice a bude sa paketovo vysielať späť k Zemi. Dáta budú vysielané k Zemi podľa priority. Rýchlosť prenosu je 50 – 1000 znakov za sekundu. Nižšie rýchlosti sú výhodné hlavne kvôli odolnosti signálu proti rušeniu, vyššie umožnia vysielanie doplňujúcich informácií (meteorologické javy, protipovodňová výstraha, dopravné informácie,…). Navigačné signály rozdeľujeme podľa prístupu k nim nasledovne :

– otvorený prístup k navigačnému kódu (nezašifrovaný)
– šifrované komerčnou šifrou
– šifrované vládnou šifrou

SÚRADNICOVÁ REFERENČNÁ SÚSTAVA
Dnes používaný systém GPS má ako svoj základ zvolený súradnicovú sústavu WGS-84. Pretože tvorcovia Galileo kládli hlavný dôraz na nezávislosť, zvolili pre ako referenčnú súradnicovú sústavu ITRF. Zemská referenčná sústava Galileo (Galileo Terrestrial Reference Frame – GTRF) bude v praxi realizovaná nezávisle na medzinárodnej zemskej referenčnej sústave ITRF založenej Medzinárodnou službou rotácie Zeme (IERS). Výsledná referenčná sústava bude odvodená zo súradníc pozemných staníc Galileo. WGS-84 je prakticky tiež realizovaná na ITRS, sú v nej vyjadrené polohy kontrolných staníc GPS. Očakávané rozdiely by sa mali pohybovať v cm.

ČASOVÁ REFERENČNÁ SÚSTAVA
Čas systému Galileo (Galileo System Time – GST) bude súvislá časová súradnicová sústava smerujúca k medzinárodnému atómovému času TAI s odchýlkou menšou ako 33 nanosekúnd. Limity systémového času, vyjadrené ako časová odchýlka vzhľadom k TAI by nemali prekročiť 50 nanosekúnd v 95 % času počas ľubovoľného časového intervalu v roku. Rozdiely medzi GST a TAI a medzi GST a UTC budú pre používateľov vysielané prostredníctvom vysielaného signálu každou službou Galileo.

3 VYUŽÍVANIE GLOBÁLNYCH POLOHOVÝCH SYSTÉMOV
Všetky sektory ekonomiky a aj rôzne zložky našej spolo nosti sú ovplyvňované vývojom družicovej rádionavigácie, a predpokladá sa neustály nárast. Trh s produktmi a službami spojenými s touto technológiou sa v dnešnej dobe pohybuje rádovo 10 mld. € ročne, a rastie tempom 25% ročne. Predpokladá sa, že v roku 2020 dosiahne čiastku 300 mld. €. Do roku 2020 sa predpokladá 3 miliardy aktívnych prijímačov.

{googleads right}

Využívanie Globálnych polohových systémov v Európe najviac pohlcuje automobilový priemysel, respektíve automobilová navigácia. Na ostatné odvetvia zostáva približne po 5% trhu. Predpokladá sa, že najväčší podiel na trhu budú mať osobné navigačné prístroje, ktoré budú integrované napr. do mobilných telefónov, počítačov PDA alebo hodiniek. Automobilovej navigácii zostane približne 20 % podiel na trhu a pre ostatné odvetvia to bude asi 1 percento.

Družicová navigácia sa stane bežnou súčasťou a pravdepodobne aj nepostrádateľným doplnkom každodenného života ľudí ale napríklad i ako systém civilnej ochrany či záchrannej služby.

Zdroje:
Plesník, M.: Predpokladaný prínos systému Galileo k zvýšeniu absolútneho určovania polohy
Internet: Galileo Industries, Thales Avionics Ltd., Alcatel Space, Astrium GmbH
www.esa.int, www.geocities.com/mikecraymer/gps.html, www.vus.sk, …