Jó napot, kollégák!
LirKom II. 4. ea.
Global Positioning System (GPS) és az Augmentation rendszerek
A GNSS világa ma (csak a nagyjelentőségűek) Global Navigation Satellite Systems
A GPS lehetővé tesz legkülönfélébb alkalmazásokat
Positioning, Navigation, and Timing (PNT)
Bevezető • Néhány évtized alatt a GPS globális eszközzé vált
• Űr-alapú (space-based) helyzetmeghatározás • Navigáció és • Időmérési eszköz
PNT
• Konzisztens, jól előrelátható, megbízható politika és teljesítmény mellett • A kibővítés (augmentation) még jobban növeli a teljesítőképességet
• Az internethez hasonlóan a GPS is a globális információs infrastruktúra összetevő elemévé vált • A méretezhető alkalmazásokon keresztül rendkívül széles képességekkel bíró, új lehetőségeket teremt • Elősegíti a hatékonyságot a (repülés)biztonság, a környezetvédelem és a tudományok innovációs tevékenysége fejlesztésével
6
A jelen anyagban: • Amikor a „jel (signal)” szót használjuk, mindig a kisugárzott információ-csomagot kell érteni alatta… • A „teljesítmény = performance” értelemben használt… • AUGMENTATION = kibővítés
• Nap-nap után új és új alkalmazások jelennek meg • Wireless és mobil alkalmazások
• • • • •
8
Gyermek/kisállat/autó követése Automatikus hótakarítás szervezés Űrhajók vezérlése Erőművek vezérlési hálózata menedzselése Földfelszíni bányászat
A GPS, mint globális nyilvános szolgáltatás (- USA: Global Public Service) • A GPS globális nyilvános szolgáltatásként 1993 óta folyamatosan teljesíti a vele szemben támasztott teljesítmény-követelményeket (sőt messze meghaladja azokat; (SPS Performance Standard - 2001) • A polgári célú GPS szolgáltatás mentes a közvetlen használati díjaktól (free of direct user charges) • Ehhez hasonlóan a kibővítés (augmentation) szolgáltatásai is azok (az USA kormánya birtokában lévőké, pl. NDGPS, WAAS, etc.)
• A nyilvános felhasználás jogi dokumentumában: • A felhasználók és az iparágak számára szabad és egyenlő rendelkezésre állás • A felhasználói végberendezések fejlesztésének lehetősége mindenki számára egyenlően nyitott, és a világpiaci versenyhelyzetet kívánja
• A GPS tulajdonosa és üzembentartója az USA kormánya • A kormány nevében beszerzi és üzemelteti az USAF • Belső (USA) nemzeti szinten több felhasználós tulajdonként van nyilvántartva • Szelektív módon letilthatók a felhasznlók (pl. India 1999-ben a Kargil háborúban (India és pakisztán közötti határvita) 9
Továbblépés: kétoldalú GPS együttműködések • USA - Japán: Politikai és műszaki konzultációk a GPS együttműködésről 1996-tól • A japán QZSS rendszer kibővítése a GPS-szel való kompatibilitása • USA - EU GPS-Galileo Együttműködési Megállapodás 2004-tól • 2007 júliusában egyezmény a továbbfejlesztett polgári jelrendszerről (MBOC) • USA - India: Politikai és műszaki konzultációk a GPS együttműködésről 2005-től • Az ionoszférikus torzulásokról/megoldásokról kutatások folytatása • Közös állásfoglalás a GNSS együttműködésről, 2007. február • USA – Russia: tárgyalások a GPS-GLONASS Együttműködési Megállapodásról 2005-től • A nagyobb együttműködési képességű (interoperability) polgári GPSGLONASS jelrendszerekről folytatott megbeszélések • USA - Australia: az Egyesített Delegációs Állásfoglalás a Polgári GPS együttműködésről, aláírva 2007 áprilisában • A GPS műholdak üzemi/üzemeltetési változásairól szóló értesítések továbbfejlesztett mechanizmusának kidolgozásáról
Maga a Global Positioning System (GPS)
A Global Positioning System • 24 működő (operational) műholdból álló rendszer, közepes földkörüli pályán (MEO) - 20 180 km orbit • Globális fedésterület, H24-ben, minden időjárási körülmények között • A műholdak a precíz időt és a röppálya információkat az „L” rádióhullámsáv frekvenciáján továbbítják • L1 sáv: 1575,42 MHz • L2 sáv: 1227,60 MHz
• Kétféle jelrendszer:
• Szabvány (ingyenes a közvetlen díjaktól) • Precíziós (USA és szövetségesei MIL)
• Három szegmens:
• ŰR- (space) • FÖLDI IRÁNYÍTÁSI (ground) • Felhasználók eszközei (user)
12
A jelenlegi teljes működési környezet 32 Operational Műhold (24 az alapvető fedéshez)
• Lásd a 2016. március 5-ei állapot szerinti ábrát a köv. slide-on; • 6 pályasík 60o-onként, inclináció: 55o (Egyenlítő) • Keringési idő: 12 óra • (kb. 6 m nyitott napelemekkel, 850 kg a pályán keringve)
• Feb.28-án 0935-kor
• Forrás: • http://www.n2yo.co m/satellites/?c=20
2016.III.05.
IIR-15(M) fellövése 2006. szept. 25-én
16
A hullámsáv és frekvenciák Az L sáv használata: A 390 MHz - 1550 MHz frekvenciatartomány. A GPS vivő frekvenciák e sávban: /L2/: 1227, 6 MHz és az /L1/: 1575.42 MHz). L1 frekvencia: ez a GPS műhold által kisugárzott két rádiófrekvencia egyike, ez hordozza az ún. Coarse Acquisition Code-ot (C/A code), a PCode-ot, és a navigációs üzenettartalmat; sugárzása az 1575,42 MHzen történik L2 frekvencia: a kettőből a másik kisugárzott frekvencia, ez csak a PCode-ot hordozza, és csak a 1227,6 MHz-en sugározzák.. Vivő frekvencia (Carrier Frequency) : a rádióadó berendezés modulálatlan kimeneti frekvenciája. C/A kód (Coarse/Acquisition Code) : a GPS szabvány pozíció jele a polgári használatra kisugározva, benne a GPS vevő által vehető pozíció pontosítási jelek (100 m-es pontossági értéken belül) és az időpont. P-Code: a GPS-jel precíziós kódja, csak a MIL által használatos, speciálisan kódolt (encrypted), amit 7-naponta midig módosítanak bármilyen személy hozzáférésének és használatának meggátolására.
A mára modernizált „GPS – Civil” jelek • A Második polgári jel (“L2C”) • A kereskedelmi célok kiszolgálására tervezték • Nagyobb pontosság az ionoszférikus korrekción keresztül • Nagyobb hatásos teljesítmény és feljavított adat-struktúra – ezzel csökken az interferencia, a jel-vétel meggyorsul, és lehetővé teszi a vevő egységek további miniatürizálását, ezzel lehetővé teszi a helyiségeken belüli használatot • A GPS Block IIR-M műholdaktól már csak e sávba, 2014-ben valamennyi (a 24+tartalék) műholdak mindegyike
• A Harmadik polgári jel (“L5”) • A közlekedés biztonságának követelményei (safety-of-life) teljesítésére tervezték • A magas biztonsági védettségű Légiforgalmi Rádiónavigációs Szolgálatok ARNS) sávját használja • A GPS Block IIF műholdaknál ez a sáv van, a 24 műhold kb. 2016-tól képes lesz kezelni
• A Negyedik polgári jel (“L1C”) • A GNSS interoperabilitási követelményekre tervezik, a nemzetközi partnerség keretében • A GPS Block III műholdakkal kezdik használni • a 24 műhold kb. 2021 körül lesz e képességgel ellátva
Power Spectrum (dBW/Hz)
A GPS modernizáció – képek
previous
as of Dec 2005
P(Y)
-220 -230 -240 -250
Power Spectrum (dBW/Hz)
1227.6
planned
-220
Power Spectrum (dBW/Hz)
Frequency (MHz)
1575.42
Block IIR-M, 2005
L2C
-230
M
-240 -250 1227.6
Frequency (MHz)
1575.42
Block IIF, 2008
-220
L5
-230 -240 -250 1176.45
Power Spectrum (dBW/Hz)
Block IIA, 1990
C/A
1227.6 Frequency (MHz)
1575.42
-220
L1C
Block III, 2013+
-230 -240 -250 1176.45
L5 19 ARNS Band
1227.6 Frequency (MHz)
L2
RNSS Band
1575.42
L1
ARNS Band
(artist’s concept)
A GPS “System-of-Systems” fejlesztési programja (összefoglaló rajz) Space Segment Modernized (Block IIR-M) Modernized (Block IIF) Legacy (Block IIA/IIR) • 2nd civil signal (L2C) • 3rd civil signal (L5) • Std Service (≤ 6 meters • M-Code signals (L1M, L2M) RMS SIS SPS URE) • Anti-jam flex power • Single frequency (L1) • Coarse acquisition (C/A) code navigation • Precise Service (≤ 2.6 m 95% URE PPS at Zero AOD) • Y-Code (L1Y & L2Y) • Y-Code navigation
GPS III (Block III) • Increased accuracy • Increased A/J power • Signal integrity • Search and Rescue • L1C civil signal common w/Galileo, QZSS, & possibly GLONASS
Ground Segment Legacy • TT&C • L1 & L2 monitoring
Upgraded (AEP) • IIR-M IIF TT&C • WAGE, AII, LADO • NMCS/AMCS
Modernized (OCX V1) GPS III (OCX V2) • New Architecture • GPS III TT&C • Signal Monitoring • Real-Time C2
20
A Földi Szegmens 4 fő alkotóeleme: • Master Control Station (MCS) - Colorado Springs, USA
• Hamarosan cserélik az újra = New Master Control Station [NMCS]
• Backup Master Control Station (BMCS) – u.o.
• Hamarosan cserélik az Alternate Master Control Station-re [AMCS]
• 4 földi antenna (Gas) • • • •
Ascension Island Cape Canaveral Diego Garcia Kwajalein Atoll
• Monitor Stations (MSs) - globálisan elhelyezett ellenőrző állomások hálózata (jelenleg 16)
NGA = Nat’l Geospatial-Intelligence Agency AFSCN = Air Force Satellite Control Network
Valid as of 2014. április
• TT&C Link – Telemetry, Tracking & Command Interface • Precise Positiponing Service Signal In Space
Az elvárt pontossági követelmények (valós, nem mai példa) Pozíció Precizitás Hígulása (PDOP, Geometry) rendelkezésre állása Specifikáció – 6-os PDOP mutató vagy kevesebb, az idő 98%-ában Jelenlegi: 99,98798% Vízszintes Szolgáltatás rendelkezésre állása Specifikáció: a 36 m 95 %-os küszöbértéke, az idő 99 %-ában Jelenlegi: 2,74 m Függőleges Szolgáltatás rendelkezésre állása Specifikáció: – a 77 m 95 %-os küszöbértéke, az idő 99 %-ában vagy jobb Jelenlegi: 3,89 m Felhasználói Távolság Hiba Specifikáció: 6 m vagy kevesebb, konfiguráció-függő átlag Jelenlegi: lásd a példát a köv. slide-on
A rendszer pontossága és rendelkezésre állása messze meghaladja a specifikációban 24 előírtakat.
Kiváló teljesítőképesség a távolsági pontosságban
A legutóbbi adatok (2016. márc.5.):
Azért némi probléma mégis van… (a léginavigáció esetében):
Mi a probléma?
½ RWY = 22,5 m
WRWY=45 m
Differential GPS (DGPS)
•
a GPS kibővítés módszere; lényegesenn javítja a pontosságot, integritást és rendelkezésre állást; nagy pontossággal felmért GPS földi referencia állomás helyzete ismeretén alapul; összeveti az ismert helyzetpozíció távolságait a fix pontban elvárt pozícióval, az eltérést hibaként érzékelve számítják a korrekciót; e korrigált pozíciót feljuttatják a használónak, aki/ami alkalmazza e korrekciót a rendszerében
A megközelítésekről (fogalmak)
A hagyományos és a területi navigáció eltérései
Nyilvánvaló különbségek, hatékonyság, megtakarítások…
Futópályáknál:
Az RNP és az RNAV összefüggése
RNP: Required Navigational Performance – megkövetelt navigáció teljesítmény
A megközelítés típusai az új osztályozás ELŐTT...
A megközelítés típusai az új osztályozás UTÁN...
Az új megközelítési kategóriák... (összesítő)
Műszeres megközelítések meghatározása ICAO Annex 6, Part I.:
Operations are to be classified in accordance to the achieved Minima at the end of an approach: • Type A: Instrument approach operation 250’ or above • Type B: Instrument approach operation below 250’
Műszeres megközelítések meghatározása
Műszeres megközelítési futópályák – Annex 14 Vol I
Wide Area Augmentation System (WAAS) és a
Local Area Augmentation System (LAAS)
A megközelítési eljárások
40
A megközelítések pontossága… • Jelenleg csak É-Amerikában használható
• A rendszer földi szegmensei máshol nincsenek kiépítve • Pontossága:
LPV - Localizer Performance with Vertical Guidance (lásd még később a pontossági elemeket)
WAAS architektúra
38 Referencia Állomás
3 Master
4 Jel-generátor
Állomás
Rendszer/ Föld-Föld Állomás
2 Geostacionárius
2 Operatív
Műhold Kapcsolat
Irányító Központ
GEO műholdak továbbfejlesztése • IOC WAAS, a végső rendszerként a két Inmarsat műhold lett bevonva • Az USA területe fölötti, szinte teljes, de csak egyszeres fedéssel • Az Inmarsat műholdakat a WAAS üzemeltetésből 2007 júliusában kivonták
• A két kiváltó műhold telepítése 2005-től kezdve megtörtént • Intelsat (Galaxy XV) • 2006 novembere óta (csak datalink) • A távolságmérés aktiválása 2008 közepétől
• Telesat Canada (Anik F1R) • 2007 júliusa óta működik, korrekciós és távolságmérési céllal
43
Intelsat 133W
Telesat 107W
WAAS Földi és Űr szegmensei • WAAS telepítés fázis • • • •
WAAS leszállítva – IOC – I. fázis Full LPV teljesítmény – II. fázis Full LPV-200 teljesítmény – III. fázis Duál-frekvenciás üzemelés – IV. fázis
• Eljárás-fejlesztés ~300/évente
44
2003 2003-2008 2009-2013 2014-2028
2004-2028
WAAS Release 5 VPL Sensitivity
Percent of CONUS
Release 5
90% of CONUS has 100% LPV Availability
48% of CONUS has 100% LPV200 Availability
99% VPL
LPV200
LPV
Percent of Alaska
Release 5
62% of Alaska has 95% LPV Availability
VPL (meters)
45
WAAS Release 6/7 Percent of CONUS
100% of CONUS has 100% LPV Availability 80% of CONUS has 100% LPV200 Availability
Release 6/7
80% of Alaska has 95% LPV Availability
Percent of Alaska
Release 6/7
99% VPL
LPV200
LPV
VPL (meters)
46
WAAS Release 8/9 Percent of CONUS
100% of CONUS has 100% LPV Availability 84% of CONUS has 100% LPV200 Availability
Release 8/9
86% of Alaska has 95% LPV Availability
99% VPL
LPV200
LPV
Percent of Alaska
Release 8/9
42% of Alaska has 100% LPV Availability
VPL (meters)
47
GPS teljesítmények a WAAS-sal és a LAAS-sal GPS Standard Horizontal 95% (Worst Location) Vertical 95% (Worst Location)
WAAS LPV WAAS LPV LAAS Cat-I LAAS Cat-I Standard Actual Standard Actual
36 meters
16 meters
1.08 meters
16 meters
0.68 meters
77 meters
20 meters
1.26 meters
4 meters
1.17 meters
Ez a WAAS teljesítmény értékelés összesen 1,761 millió mintavételre alapozott (ez összesen 20389 felhasználói napon) LAAS teljesítményét a Memphis repülőtéren végrehajtott 104 LAAS megközelítés eredményességére alapzták. 48
A megközelítések (ismét)
Doc9613 – PBN Manual A 2013-as ICAO PBN Manual (Doc 9613) a következő megközelítési formákat rögzíti az ún. RNP APCH üzemeltetési osztályba tartozóként: • • • •
LNAV, LP, LNAV/VNAV and LPV).
A Basic RNAV és az RNP rendszerfunkciói (PBN)
Alapszintű avionikai követelmények (vázlatosan)
Alapvető, hagyományos navigáció esetében
Területi navigáció (RNAV) esetében
Komplex multi-szenzoros avionikai rendszer (vázlatosan)
GPS/MMR – Global Positioning System/Multi-Mode Receiver
• GPS NPA (LNAV) = Non-Precision Approach (NPA) eljárás, ami a GPS-t és/vagy a WAAS-t használja a hosszirányú navigációhoz (Lateral Navigation) • Az LNAV megközelítésben a pilóta a hosszirányú megközelítési szöggel repül, de nem kap függőleges helyzettájékoztatást az irányított süllyedéshez. Helyette, a végső megközelítés pontjától (FAF) a barometrikus magasságmérő alapján süllyed a minimális süllyedési magasságig. • LNAV megközelítések kevésbé pontosak (556 m a hosszirányú határuk), és általában nem engedik meg a jellemzően az LNAV eljárások minimális süllyedési magasságának (MDA) 400 feet alatti értékét.
Példa GPS megközelítésre
WAAS LNAV (NPA) teljesítmény-fedésterület
57
(1)
(2)
(3)
LHPR GNSS 30 (1)
LHPR GNSS 30 (2)
LNAV/VNAV • Az LNAV/VNAV (Lateral Navigation / Vertical Navigation)
megközelítések során a GPS és/vagy a WAAS (556 m hosszirányú határértékig tartó) jeleit használják, a függőleges útmutatást pedig vagy a barometrikus magasságmérőtől vagy a WAAS-tól kapják. • A WAAS-t nem használó légijárműveknek a függőleges útmutatáshoz VNAV-képes magasságmérővel kell rendelkezniük, ami általában a repülésvezérlő rendszer része (flight management system - FMS). Az FMS avionika sokkal drágább, mint a WAAS vevő eszközök. • Az LNAV/VNAV megközelítések tehát a függőleges és vízszintes útmutatással biztonságosabb irányított süllyedést tesznek lehetővé, így a DH értéke 350 feet a futópálya fölött.
LPV • LPV (Localizer Performance with Vertical guidance) megközelítés hasonló az LNAV/VNAV eljárásokhoz, kivéve azt, hogy sokkal pontosabb (40 m hosszirányú határérték), és lehetővé teszi a 200-250 feet magasságig süllyedést, ám csak a WAAS vevő berendezéssel repülhető. • Az LPV megközelítések üzemszerűen megegyeznek a műszeres leszállító rendszerrel (ILS), de sokkal gazdaságosabb, mivel nem igénylik a leszállító berendezések földi telepítését a futópálya körül.
WAAS Program – III. fázis A teljes LPV-200 teljesítmény • Erőteljes, megbízható és fenntartható LPV-200 képesség • A WAAS Algoritmus frissítése a III. fázis kapcsán
• További kiegészítő GEO műholdak beszerzése • Speciális védelmi mechanizmusok, algoritmus-hangolás (különösen a közeledő Nap maximumok esetében - Solar max.)
• A szerződéses döntés a WAAS III. fázisának továbbvitelére, még 2008 nyarán
65
WAAS Program Status – Phase IV
• Kettős frekvencia-működtetés
• Az erőteljes, megbízható és fenntartható LPV-200 képesség folyamatos biztosítása • Az egy (single) frekvenciát használni képes/tudó WAAS felhasználok támogatása a IV. fázis végéig (2028) • A felhasználók kettős frekvencia-használati eszközökkel felszerelésének (L1/L5 sávokra képes avionika)
• GPS Architektúra Fejlesztési Tanulmányozási Csoport (GEAS) létrehozása már 2006 őszétől
• a GEAS feladata meghatározni és kidolgozni a jövőbeli GNSS-alapú rendszer-architektúrát a teljes világra szóló rendszerhez, az LPV-200 alapján, kb. 2025-30-re
66
Példák a WAAS avionikára
• Mintegy ~18,000 WAAS-képes felhasználó • A kb. 150,000 GA légijármű 40 %-a pl. a Garmin cég vevőkészülékes • Rockwell-Collins Challenger légijárművei 2007-től • CMC WAAS szenzorok a Honeywell Primus 2000 FMS rendszerbe integrálása 2008-tól • Universal Avionics, a WAAS-képesség beépítése az UNS-1 FMS TSO-ba
67
Local Area Augmentation System (LAAS) architektúra
• Precíziós megközelítések, Category I, II és III • Többszörös futópálya-lefedés a repülőtéren • Támogatott elhibázott megközelítési és indulási eljárások • Légijármű földfelszíni navigáció
68
A jelenlegi GBAS tevékenységek GBAS – GROUND-BASED AUGMENTATION SYSTEM
• GBAS elsődlegesen a precíziós megközelítések kiszolgálására készült
• Egységei: GBAS Ground Subsystem és a GBAS Aircraft Subsystem • 1 GBAS Ground Subsystem korlátlan számú légijármű egységet (unit) tud kiszolgálni a GBAS fedésterületén belül • A földi alrendszer a légijárművek számára a megközelítési sáv repülési adatait, a látómezőben tartózkodó műholdak számára korrekciós és integritási tájékoztatást nyújtanak. • A korrekciós adatok lehetővé teszik a légijárműnek a megközelítési sávhoz viszonyított helyzete még jobb pontosítását… • A GBAS Űr-jel (Signal in Space) csak a földről az légijármű alrendszerre továbbítja az adatokat. A Műhold Signals in Space az alapvető GNSS műholdas rendszer része.
1.
2.
1. 2.
A GPS referencia-vevő kiszámítja a műholdól vett pozíciókatt
3.
A GBAS földi kisegítő berendezése kiszámítja a GPS pozíciók hibáit, és erről GBAS Korrekciós Üzenetet készít
4.
4.
3.
A GBAS földi kisegítő berendezése elküldi a Korrekciós Üzenetet a VHF Adat-műsorszóró (VDB) eszköznek
A VDB adó berendezés kisugározza a GBAS jeleket a szolgáltatási területén belül lévő, a megfelelően felszerelt légijárműveknek
LVP Európában Localizer Approach with vertical guidance, based on EGNOS (SBAS) European Geostationary Navigation Overlay Service
A 2016. márc.11-én érvényes, LVP-200-as alkalmazási terület és repülőterek….
Folytatás… • EURÓPÁBAN: • EGNOS (EU - Galileo) • GLONASS (orosz) • (folyt.köv.)
